CN1374666A - 利用薄电介质的嵌入式电容器极板的形成 - Google Patents

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Abstract

一种电容器,由一对导电箔组成,每个导电箔的表面都有一个介电层,其中介电层彼此贴合。在其制造的一个方法中,电容器通过如下步骤制造:将第一介电层贴到第一导电箔的表面;将第二介电层贴到第二导电箔的表面;然后将第一和第二介电层彼此贴合。得到的电容器具有极好的抗孔隙性(voidresistance)。

Description

利用薄电介质的嵌入式电容器极板的形成
技术领域
本发明涉及聚合物电容器。尤其，本发明与嵌入在印刷线路板或其它微电子装置中的聚合物电容器有关。该电容器包括一对由电介质分隔开的平行的导电箔片。每个箔片表面上都有一个介电层，并且介电层彼此贴合在一起。该电容器具有极好的抗孔隙性(void resistance)。
背景技术
电容器是这样一种装置，用于引入电容到电路中，并主要地行使储存电能的职责，阻挡直流电电流或允许交流电电流通行。它们包括夹在两个诸如铜箔的导电金属层中间的电介质材料。通常，电介质材料和导电金属层通过粘合层层压成型或汽相沉积结合到一起。美国专利5,155,655描述了一个形成电容器的方法，其中一单层电介质材料和两个导电箔一起被层压。为了最优化电容器的性能，重要的是使用的电介质材料具有显示其质量诸如优良的粘着力、高介电强度和良好的挠性的良好材料性能。
电容器是印刷线路板或其它微电子装置上的普通元件。电容器以线路板上的分离元件形式电连接或者可以嵌入线路板。在这些选择中，最好将具有嵌入电容器的印刷线路板做成使得用于其它目的的线路板表面积达到最大程度。电容器的电容主要取决于电容器层的形状和大小以及绝缘材料的介电常数。各种已知类型的电介质材料是本领域所公知的。例如，电介质材料可以是诸如空气的气体、真空、液体、固体或这些的结合。每种材料都有自己的特性。
诸如玻璃增强聚合物基质的电介质材料已经用在构造用于印刷线路板的电容器上。然而，这种类型的电容器的性能局限于一些因素诸如电介质材料的受限最小厚度、金属箔上的粘结增强剂的作用、低介电常数和弱介电强度，受限最小厚度会降低电容器的挠性和可达到的电容量。
需要构造用于印刷线路板的电容器具有高介电常数和非常薄的电介质材料层，由此增加电容器的电容量和挠性。然而，一个常常和如此非常薄的电介质材料层联系在一起的常见问题是该层中形成微观孔隙或其它的结构缺陷。例如，美国专利5,161,086披露了具有在两片导电箔之间的单层电介质材料薄片的电容器层状制品。这种类型的介电层非常容易形成孔隙，并且检查和补救都很费时。
本发明提供一种解决了现有技术问题的电容器。本发明电容器包括一对导电箔、一对薄介电层，在每个导电箔的表面都有一个介电层。这两个导电箔被压在一起从而两个介电层彼此贴合构成了一个均匀的电介质。通过利用这两个薄介电层，任何存在于一个单独的电介质中的结构孔隙都会被另一个相结合的电介质覆盖。两个介电层中的任何一个层有和另一个介电层上孔隙相重合的孔隙的可能性非常小。这增加了电容器的可靠性和机械强度并且消除了一个制造缺陷的来源。而且，该薄介电层容许电容器有更高的电容量、更大的导热率和更大的挠性。绝缘介质最好包括具有高介电常数、对热应力的高阻抗和低湿气吸收的热塑性聚合物或热固性聚合物。总之，在性能和成本方面，这些因素提供了与电容器和印刷线路板的现有技术相比重要的改进。
发明内容
本发明提供了一种电容器，其包括一对导电箔、一对介电层，在每个导电箔的表面都有一个介电层并且介电层彼此贴合。
本发明还提供了一种电容器，其包括一个导电箔、在该导电箔的表面的一个第一介电层，在第一介电层上的一个第二介电层，以及第二介电层上的导电层
本发明还进一步提供了一种构造电容器的方法，包括步骤：将第一介电层施加到第一导电箔的表面；将第二介电层施加到第二导电箔的表面；然后将第一和第二介电层彼此贴合。在第一和第二介电层贴合之前一个可视需要存在的增强片可加入在第一和第二介电层之间。
还提供了电容器，其中至少一个导电箔或导电层包括含有本发明电容器的电子线路、芯片载体、微电子装置或印刷线路板的一部分。
附图说明
图1是一对无涂覆导电箔的略图。
图2是一对导电箔的略图，每个导电箔的内侧表面都具有电介质材料层。
图3是具有一对贴合的介电层的电容器的略图。
图4是在一对介电层之间有增强层的电容器的略图。
具体实施方式
本发明提供了一种电容器，其包括一对导电箔、或一个导电箔和一个导电层；和在一对导电箔之间或一个导电箔和一个导电层之间的一对贴合的介电层。在优选实施例中，本发明提供一种电容器，其包括一对导电箔和一对介电层，在每个金属箔表面都有一个介电层并且并且介电层彼此贴合。图1所示是在施加介电材料之前的一对导电金属箔2和4。图2说明每个箔2和4都施加有一层电介质材料6。如图2所示，电介质材料6最好直接涂布在每个箔2和4上以在每个箔的全部表面上形成基本上均匀的层。
制造本发明电容器需要的一个方法是将液体介电层施加到导电箔表面，其中液体介电层包括电介质材料和溶剂。这样的涂布可通过从卷辊退绕导电箔卷箔然后将连续的电介质材料层施加到导电箔表面来完成。计量装置诸如刮刀、缝模、逆向辊或其它可以控制介电层的厚度的装置。假如介电层是无溶剂制备的，施加技术包括在电介质易于熔融的情况下采用的熔体挤出，在电介质易于汽化和再凝结的情况下采用的汽相淀积或溅射。
在电极淀积制备箔的情况下，箔的一面有不光滑的表面光洁度而反面有光滑的表面光洁度，介电层6可涂布在箔的光滑的或者不光滑的任一面上。在介电层和导电箔之间需要一种强力粘接的情况下，电介质可施加到箔的不光滑的一面。在需要低轮廓(较不粗糙)表面的情况下，箔的光滑的一面可通过机械或化学处理获取更有效表面以增强粘接强度。
一旦电介质已经施加到箔上并且切分成需要的大小时，两个箔压合在一起，从而介电层彼此贴合而形成电容器。这个电容器见图3所示。贴合介电层之后，于是电容器被放入烘箱中，以从电介质材料中蒸发残余的溶剂并且部分地或全部地固化电介质。这些可通过使电容器加热至温度100°F～600°F、持续约1～120分钟来完成。取决于电容器最终用途，电介质可以全部或部分固化。达到需要的固化程度后，从烘箱中取出电容器并冷却。
在另外的实施例中，通过首先将液体电介质材料施加到导电箔表面上然后固化介电层而制造电容器。在第一介电层的固化之后，第二电介质材料层施加到第一介电层上然后固化。在这个第二固化步骤之后，导电层以箔的方式或者利用溅射、蒸发或汽相淀积等本领域公知的技术施加到第二介电层上。
介电层还可以固体片的形式施加到导电箔上。在一个实施例中，第一固体介电层层压到第一导电箔表面上，第二固体介电层层压到第二导电箔表面上，然后第一和第二介电层彼此层压到一起。或者，第一导电箔、第一固体介电片、第二固体介电片和第二导电箔层状夹合到一起而后在热和压力作用下层压。层压最好在温度范围约210℃～约310℃内的压力下实施，温度范围更好地为约230℃～约290℃。层压实施时间在约1分钟到60分钟内，最好在约1分钟到约30分钟内。最好地，压力在至少28英寸汞柱的真空下，并且保持约100磅/平方英寸到约400磅/平方英寸的压力，最好是约125磅/平方英寸到约300磅/平方英寸的压力。
每个导电箔或层可包含同样的金属或者不同的金属。适合于本发明目的的导电金属可以根据应用需要而改变。导电箔或层优选地包括选自铜、锌、黄铜、铬、铬酸盐、氮化钛、镍、硅烷、铝、不锈钢、铁、金、银、钛以及它们的组合物和合金的材料。最优选地，导电箔和层包括铜。导电箔和层优选地有从约0.5到约200微米的厚度，更优选地是从约9到约70微米。本发明电容器使用的导电材料可以制造成有一个光滑面表面和一个不光滑表面。在作为参考包含在本发明中的美国专利No.5,679,230中披露了这样的导电材料的例子。
电介质材料6优选地由热固性聚合物、热塑性聚合物、无机物或其组合物制成。更优选地，介电层包含从下述材料组成的一组材料中选择的材料：环氧化合物，聚酯，包含聚酯的共聚物，芳族热固性共聚酯，聚亚芳基醚和作为加利福尼亚州Sunnyvale的霍尼韦尔公司(Honeywell International Inc.)的FlareTM可得到的氟化聚亚芳基醚，聚酰亚胺，苯并环丁烯(可从Dow以Cyclotene得到的)，液晶聚合物(可从Kuraray得到)，烯丙基化聚苯醚(可从Asahi Chemical得到)，胺，无机材料诸如钛酸钡(BaTiO3)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅、钛酸锶、钛酸钡锶、石英和其它陶瓷和非陶瓷无机材料和它们的组合物。在美国专利5,439,541和5,707,782中描述了芳族热固性共聚酯包含的那些物质。这些材料中，最优选的电介质是液态聚酰亚胺聚合物或者聚酰亚胺聚合物的混合物。干燥、固态介电层可包含约100％的任何上述化合物或者可包含这些的混合物或者可包含其它添加剂。
聚酰亚胺具有高介电强度、良好绝缘特性、高软化点并且对许多化学品呈惰性。优选的聚酰亚胺将具有从约160℃到约320℃的玻璃化转变温度(Tg)，优选的玻璃化转变温度是约190-270℃。当介电层包含聚合材料时，它们也任选包含填充材料。优选的填充材料非排它性地包括钛酸钡(BaTiO3)、氮化硼(BN)、氧化铝、二氧化硅、钛酸锶、钛酸钡锶、石英和其它陶瓷和非陶瓷填充材料和它们的组合物。混合时，填充材料优选地是按电介质材料体积的约5％-约80％的量存在于电介质材料中，更优选地是电介质材料体积的约10％-约50％。此外，一个或两个介电层可包含染料或颜料用以给予颜色、改变电介质不透明度或形成对比度。
介电层优选地以液体聚合物溶液的形式施加到导电箔上，以实现聚合物厚度的控制和均一性。该溶液典型的具有从约5,000到约35,000厘泊的粘度范围，优选的粘度范围是从约15,000到约27,000厘泊。该聚合物溶液包含约10％-约60％重量并且优选地约15％-约30％重量的聚合物，溶液剩余部分包括一种或多种溶剂。优选在聚合物溶液中使用单一的溶剂。可用的溶剂包括丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺以及它们的混合物。最优选的单一的溶剂是N-甲基吡咯烷酮。
优选地，介电层具有约2-约200微米的厚度，更加优选地是约2-约100微米。优选地介电层具有至少约2000伏/密耳厚度的介电强度，优选地是约2000-约10000伏/密耳厚度而且更加优选地是约200-约6000伏/密耳厚度。
图4说明本发明另一个优选实施例，其中电容器进一步在介电层中结合了增强层8。增强层8的目的是减少起因于热漂移和化学处理的形变，尤其在X，Y平面上的形变。在结合时，这个增强层在有涂层的箔2和4贴合之前引入，然后与每个箔层和电介质材料层层压到一起。增强层优选的材料非排他性地包括玻璃纤维布、芳族聚酰胺纸、polybenzoxolate(PBO)纸、polybenzoxolate纤维或其组合物。增强层优选的厚度是约5-约200微米，更优选地是约10-约50微米。
在本发明优选实施例中，电容器优选的电容量至少约250pF/cm2，更优选地是约250-约40000pF/cm2。本发明的电容器可用于不同的印制线路应用。例如，它们可结合或嵌入到刚性的、柔性的或刚性/柔性的电子线路、印刷线路板或其它诸如芯片组件的微电子装置中。通常，它们通过在导电箔层上建立第一电路图形使用。第二电路图形也可施加于聚合物表面，通过电淀积、溅射、汽相沉积法以导电箔形式或以其它一些方法。此外，必需的是在电容器中建立电连接相对的电路层的通道。而且，电容器的用途依赖介电层是部分地还是全部地固化。
一旦形成电容器，也可利用已知蚀刻技术在导电箔层中建立电路图形。蚀刻时，光可成像的抗蚀剂或液体材料的层被施加至导电箔层。利用覆盖在抗蚀剂上的负片光图形，光抗蚀剂曝露在建立所需要的电路图形的光化学辐射中。然后成像的电容器暴露于选择性地去除不想要的未曝光部分的膜显影化学处理中。然后带有电路图像的电容器与已知的化学蚀刻浴接触以去除曝露过的导电层，剩下形成有最终想要的导电图形的电容器。而且，每个导电金属层可视需要地通过形成穿通整个电容器的洞并且用导电金属填充该洞实现电连接。层压步骤优选地在最小为275℃情况下实施。这将产生均匀的、薄的介电层，总电介质厚度为约8-约12微米，基本上没有孔隙。得到的层制品是挠性的并且容易加工。假如可以发现涂层中的缺陷，则其它片导电箔上的涂层将仍然能确保性能。电容器可形成印刷线路板的一部分、微电子装置诸如芯片的载体的一部分。
下面非限制性的例子用于说明本发明。
                              实施例1
一卷电沉积35微米、一盎司铜箔，宽度为0.64米，安放在一个退卷辊上。这种箔的样品切取0.3m×0.3m并称重以确立箔的基准重量。该箔通过张力辊然后进入烘箱，通过导辊，然后到卷绕辊上。该箔于是拉伸为4磅每英寸宽度。烘箱中的红外热源在三个不同的区域设置为150℃、232℃和316℃并使之稳定。使用卷绕辊上的驱动电动机并且设为1.2米/分钟。使用导边器并且确定通过烘箱的适当的轨迹。在不锈钢混合桶中利用N-甲基吡咯烷酮把液体聚酰亚胺树脂调整为25％固体，粘度约20000厘泊。该聚酰亚胺溶液提供给分配系统，并且利用重力和作为分配力的液体聚合物粘度将约50微米的膜施加到移动箔的光滑一面。
调整刮刀以制造厚度43微米的湿膜，结果形成具有厚度约7.6微米的干燥聚合物膜的挠性复合物。挡起的材料的连续液体压头的高度和体积保持在刮刀的上游一侧，维持恒定的挠性复合薄膜厚度并且薄膜不包含气泡。
在烘箱中溶剂蒸发掉了并且聚合物固化。当涂布的箔首先进入烘箱时，预先降低初始温度。一旦在烘箱中达到稳态温度，通过取得箔样品，然后把涂覆后的重量与箔的基准重量比较，利用聚酰亚胺的密度来将重量换算为膜厚，检测膜的厚度。根据这个测量来调整所分配的聚酰亚胺的速度和或刮刀在箔上的高度。这个过程反复进行直至达到所需要的膜厚。通过液压机在275℃和150磅/平方英寸条件下持续30分钟层压两片这种涂层箔形成电容器。该压力是在28英寸汞柱的真空情况下的值。
通过这种方法制造的电容器包括两个金属箔层，金属箔层带有包含2-3％的剩余溶剂的半固化聚酰亚胺。电容器剪裁尺寸并且处理，以在铜上给予图形。肉眼检查得到的电容器“芯”并且进行500伏短接电测试。得到的电容器层将具有至少250pF/cm2的电容量和至少2000伏特/密耳介电击穿电压。
                              实施例2
除了装入的聚合物是连同50％体积比钛酸钡(BaTiO3)之外，重复例1。电容量增至至少2.0nF/cm2，介电击穿电压至少1000伏特/密耳。
                              实施例3
除了在被涂布的铜的聚酰亚胺表面之间层压10微米对-亚苯基-2，6-苯并双噁唑纸的片材之外，重复例1。得到的产品具有尺寸稳定性和抗撕裂性。电容量至少100pF/cm2，介电击穿电压至少2500伏特/密耳。
                              实施例4
除了装入的聚酰亚胺是连同50％体积比钛酸钡之外，重复例3。电容量至少500pF/cm2，介电击穿电压至少1500伏特/密耳。
                              实施例5
除了氮化硼用做填充材料之外，重复例2。电容量至少325pF/cm2，介电击穿电压至少1000伏特/密耳。
                              实施例6
除了层压是利用在300℃和300磅/平方英寸条件下的连续的热轧辊层压加工之外，重复例1。产品层压之后受到烘箱烘烤以达到最终固化。
                              实施例7
除了涂布是用挤出涂层机完成的和层压是通过轧辊法加工完成的之外，重复例1。填充物和聚酰亚胺一起共挤出。
                              实施例8
除了箔的光滑的一面是用小球处理以增强其对聚酰亚胺的机械附着力之外，重复例1。最大小球尺寸小于120微英寸以避免高潜在破坏的可能性。
                              实施例9
除了纳米纤维(nanofiber)(例如PBO)以至多30％的体积比混合进聚酰亚胺之外，重复例4。这提高了尺寸稳定性和抗撕裂性。利用机械方法破碎纤维(例如球磨机)将纳米纤维纸浆与聚酰亚胺一起处理。钛酸钡和另一部分聚酰亚胺利用高剪切混合器混合。这两种成分加到一起并用低剪切混合器混合。然后带有这两种填充物的聚酰亚胺用例1的方法涂覆。
                            实施例10
通过加入铜小球对在一盎司铜箔样品的不光滑的一面进行处理，随后将铜小球封装起来。一层铬酸锌施加在光滑的和不光滑的两面。对不光滑的一面施加有机层防止污点，并且应用γ-氨基-丙基三乙氧基硅烷于光滑的一面以促进聚酰亚胺的附着力。
溶解于N-甲基吡咯烷酮(NMP)的聚酰亚胺树脂施加于光滑的一面。刮刀涂布机提供没有气泡的均匀的涂层。在烘箱中蒸发溶剂，然后树脂固化。两片这种涂层箔用液压机在275℃和150磅/平方英寸条件下持续30分钟层压。该压力是在至少28英寸汞柱的真空情况下的值。得到的层制品剪裁尺寸并且通过已知制造技术在铜上给予电容器特定的图形。这通过铜的表面处理和光敏抗蚀剂的使用完成，铜的表面处理通过酸洗和清水漂洗进行。所需要的图形用在紫外线曝光装置中以使抗蚀剂曝光。使用负性抗蚀剂，曝光区交联，并且不会被显影掉并且在蚀刻时保护铜。用碳酸钠显影和在氯化铜中蚀刻后，利用氢氧化钠剥离抗蚀剂留下所需要的铜的图形。得到的电容器芯进行肉眼检查然后进行短接电学测试。这种高电压试验在500伏特直流下进行。
本发明结合优选的实施例进行了展示和描述，本领域普通技术人员易于理解可做出不背离本发明精神和范畴的各种变化和修改。这意味着权利要求被解释为覆盖了披露的实施例、那些上文讨论过的替换选择以及所有等价物。

Claims (29)

1.一种电容器，其包括一对导电箔、一对介电层，每个箔的表面都有一个介电层并且介电层彼此贴合。
2.权利要求1所述电容器，其中介电层具有至少约2000伏特每密耳厚度的介电强度。
3.权利要求1所述电容器，其中介电层包含从热固性聚合物、热塑性聚合物、无机材料和其组合物组成的一组材料中选择的材料。
4.权利要求1所述电容器，其中介电层包含从环氧化合物、聚酯、包含聚酯的共聚物、聚亚芳基醚、氟化聚亚芳基醚、聚酰亚胺、苯并环丁烯、液晶聚合物、烯丙基化聚苯醚、胺和其组合物组成的一组材料中选择的材料。
5.权利要求1所述电容器，其中至少一个介电层包含约100％的无机材料。
6.权利要求1所述电容器，其中至少一个介电层包含约100％的无机材料，该无机材料选择自陶瓷、钛酸钡、氮化硼、氧化铝、二氧化硅、钛酸锶、钛酸钡锶、石英和其组合物。
7.权利要求1所述电容器，其中至少一个介电层的组成成分是由聚合物和填充材料组成。
8.权利要求7所述电容器，其中电介质中的填充材料选择自陶瓷、钛酸钡、氮化硼、氧化铝、二氧化硅、钛酸锶、钛酸钡锶、石英、非陶瓷填充材料和其组合物。
9.权利要求1所述电容器，其中至少一个介电层是由填充材料和聚合物组成，填充材料占介电层的体积比约5％-约80％。
10.权利要求1所述电容器，其中每个导电箔的厚度范围为约0.5-约200微米
11.权利要求1所述电容器，其中每个介电层的厚度范围为约2-约200微米。
12.权利要求1所述电容器，其中增强层插入在介电层中。
13.权利要求1所述电容器，还包括在介电层中的增强层，增强层包括玻璃纤维、纸、聚benzoxolate纸和其组合物。
14.权利要求1所述电容器，其中导电箔层包含从铜、锌、黄铜、铬、铬酸盐、氮化钛、镍、硅烷、铝、不锈钢、铁、金、银、钛及其组合物组成的一组材料中选择的材料。
15.权利要求1所述电容器，具有至少约250pF/cm2的电容量。
16.一种电容器，其包括一个导电箔、在该导电箔的表面上的一个第一介电层、在第一介电层上的一个第二介电层、以及第二介电层上的导电层。
17.权利要求16所述电容器，其中导电层利用溅射、蒸发或汽相淀积方法施加到第二介电层上。
18.权利要求16所述电容器，其中导电层包括箔。
19.一种制造电容器的方法，包括将第一介电层施加到第一导电箔的表面上；将第二介电层施加到第二导电箔的表面上；然后将第一和第二介电层彼此贴合。
20.权利要求19所述的方法，其中第一和第二介电层以液体形式施加到第一和第二导电箔上。
21.权利要求19所述的方法，其中第一和第二介电层以液体形式施加到第一和第二导电箔上，然后至少被部分干燥。
22.权利要求19所述的方法，其中第一和第二介电层以薄板的形式层压到第一和第二导电箔上。
23.权利要求19所述的方法，其中第一和第二介电层通过层压彼此贴合。
24.权利要求1所述电容器，其中至少一个导电箔包含一部分电路。
25.权利要求16所述电容器，其中至少一个导电箔或导电层包含一部分电路。
27.一种印刷线路板，包含权利要求1所述电容器。
28.一种印刷线路板，包含权利要求16所述电容器。
29.一种用于微电子装置的芯片载体，包含权利要求1所述电容器。
30.一种用于微电子装置的芯片载体，包含权利要求16所述电容器。
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