CN1497627A - 用于印刷线路板的共同烧制的陶瓷电容器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

通过在一片箔上形成一个第一电介质的图形、在第一电介质上形成第一电极并对第一电介质和第一电极进行共同烧制而制造一个电容器构件。电解质和电极的共同烧制减轻由于电极和电介质之间的热膨胀系数(TCE)的差异而产生的裂缝。共同烧制也保证电介质和电极之间的强烈粘合。此外，共同烧制允许制造多层电容器构件，并允许用铜制成电容器电极。

Description

用于印刷线路板的共同烧制的陶瓷电容器及其制造方法
技术领域
本发明的技术领域为陶瓷电容器。更具体地说，该技术领域包括可以埋置在印刷线路板中的共同烧制的陶瓷电容器。
背景技术
通过在箔上烧制的技术制成的埋置在印刷线路板中的被动电路组件是已知的。已知的组件在箔上独立地烧制。“在箔上独立地烧制的”电容器是通过在金属箔衬底上沉积一层厚膜介电物质层并在厚膜烧制条件下烧制并随后在厚膜介电物质上沉积一种顶电极材料而制成的。Felten的美国专利No.6,317,023 B1公开了这样一种工艺。
厚膜介电物质在烧制后应当具有高的介电常数(K)。一种高K厚膜电介质是通过混合一种高介电常数K的粉末(“功能相”)和一种玻璃粉并将该混合物分散在厚膜丝网印刷载体中而制成的。高K玻璃可以是全部结晶或部分结晶，取决于其组成和它们沉淀的高K晶体量。这些玻璃常称为“玻璃陶瓷”。
在烧制厚膜介电物质期间，在达到峰值烧制温度之前介电物质的玻璃组分软化并流动，聚结、密封该功能相并随后结晶，形成玻璃陶瓷。但是玻璃陶瓷在随后的烧制中并不重新软化和流动，而其表面常常难以粘附。
银和银钯合金由于其热膨胀系数(TCE)与在箔上烧制的电容器中使用的电介质差别相当小而成为制造电容器电极的优选金属。小的TCE差别在从峰值烧制温度冷却时在电极中形成小的应力。但是，由于银迁移的可能性银及含银合金在某些用途中可能不太理想。此外，银及银合金的相当低的熔点妨碍其在较高烧制温度下的使用。
铜是制造电极的优选材料，但是铜和厚膜电容器电介质之间的大的TCE差别导致电极中的烧制后应力。该应力导致电极破裂。此外，因为预烧制的玻璃陶瓷在随后的烧制中并不重新软化和流动，所以在预烧制的玻璃陶瓷表面上烧制的铜电极不可能良好地粘附于玻璃陶瓷上。因此该电极可能与电介质分离。破裂和分离两者产生高的耗散因子。
发明概要
按照第一实施例，一种制造在箔上烧制的陶瓷电容器构件的方法包括在金属箔上形成第一介质、在该第一介质上形成第一电极以及该第一电介质和第一电极的共同烧制。在第一实施例中，通过电极和电介质的共同烧制，避免了由于电极和电介质之间的热膨胀系数(TCE)的差别而产生的破裂和电极与电介质分离。TCE问题的减轻也使得能利用优选材料如铜来制造电极。
按照第二实施例，一种双层电容器构件包括一片金属箔、安置在箔上的电介质、安置在第一电介质上的第一电极及安置在该电介质和第一电极上的第二电极。在第二实施例中，由于附加的电介质/电极层，增大了电容器构件的电容密度。还可以增加附加的层，从而再增大电容密度。也按照第二实施例，该电容器构件可以由铜箔和铜电极组成。
附图简述
后面的详细描述将参考附图，图中相同的标号指示相同的部件，附图中：
图1A～1D示意说明在制造在如正视图中所示的电容器构件的第一
实施例中的步骤；
图1E是第一电容器构件实施例的顶视图；
图2A～2J示意说明在制造为正视图中所示的电容器构件的第二实施例中的步骤；
图2K是第二电容器构件实施例的顶视图；以及
图3例示电容器构件的第三实施例。
详细描述
图1A～1D例示一种制造电容器构件100(图1E)的通用方法，该构件100在金属箔设计上有一个单层电容器。图1E是成品电容器构件100的平面图。下面也描述电容器构件100的特定例子。
图1A是制造电容器构件100的第一阶段的侧视立面图。在图1A中提供一片金属箔110。箔110可以是工业中普通使用的那种类型。例如，箔110可以是铜、铜-因瓦(invar)镍铁合金-铜、因瓦镍铁合金、镍、镀镍铜或其熔点超过厚膜浆料烧制温度的其它金属。优选的箔包括主要由铜组成的箔，如逆处理(reversetreated)铜箔、双处理(double-treated)铜箔和通常用于多层印刷电路工业的其它铜箔。箔110的厚度可以在例如约1～100微米、优选地约3～75微米而最优选地约12～36微米的范围内，对应于约1/3～1盎司铜箔。
箔110可以通过在箔110上外加一层下印刷层112来预处理。下印刷层112是一层外加在箔110的组件一侧表面上的相当薄的层。在图1A中，下印刷层112被表示为箔110上的表面涂层。下印刷层112良好地附着在金属箔110和沉积于下印刷层112上的层上。下印刷层112可以例如用外加在箔110上的浆料形成，然后在低于箔110的软化点的温度烧制。该浆料可以印刷成箔110整个表面上的敞开涂层，或印刷在箔110的选定区域上。将下印刷层浆料印刷在箔的选定区域上通常更为经济。当铜箔110与铜下印刷层112结合使用时，铜下印刷层浆料中的玻璃延缓了铜箔110的氧化腐蚀，因此，如果采用掺氧的烧制，对箔110的整个表面进行涂层可能是最好的。
在图1A中，将一种介电物质在预处理的箔110上进行丝网印刷，形成一层第一介电层120。该介电物质可以例如是一种厚膜介电油墨。该介电油墨例如可以用浆料制成。然后使第一介电层120干燥。在图1B中，而后外加一层第二介电层125，并使其干燥。在另一实施例中，可以通过一个较粗的丝网来沉积单独一层介电物质而在一层印刷层中提供一个等效的厚度。
在图1C中，在第二介电层125上形成一个电极130并使其干燥。电极130例如可以用丝网印刷一种厚膜金属油墨来制成。通常，介电层125的表面积应当大于电极130的表面积。
然后将第一介电层120、第二介电层125和电极130共同烧制。厚膜介电层120、125可以例如用一种高介电常数的功能相如钛酸钡和改变介电性能的添加剂如混和了玻璃-陶瓷熔结相的二氧化锆制成。在共同烧制期间，玻璃-陶瓷熔结相使功能相和添加相软化、润湿并聚结而产生功能相和变性添加剂在玻璃-陶瓷基质中的分散。同时，层130的铜电极粉被软化的玻璃-陶瓷熔结相润湿并一起烧结而形成一个固体电极。层130具有从共同烧制形成的对高K电介质128的强烈粘合。烧制后的构件示于图1D的前视立面图中。
图1E是成品电容器构件100的平面图。在图1E中，例示出在箔110上的四个电介质/电极叠层140。但是在箔110上可以配置任意数目的不同图形的叠层140来形成电容器构件100。
例1～3例示在实施图1A～1E所示的通用方法中使用的特定材料和工艺。
图2A～2J例示一种制造具有在金属箔设计上的双层电容器的电容器构件200的方法。图2K是成品电容器构件200的平面图。
图2A是制造电容器构件200的第一阶段的前视立面图。在图2A中，提供一片金属箔210。箔210可以通过外加一个下印刷电路212并将其烧制来预处理，如上面参照图1A的讨论。一种介电物质用丝网印刷在预处理的箔210上，形成第一介电层220。然后使第一介电层220干燥。
在图2B中，而后外加第二介电层225并使其干燥。也可以使用单独一层的介电物质。
在图2C中，在第二介电层225上形成一个第一电极230并使其干燥。该第一电极可以通过例如丝网印刷厚膜金属油墨而形成。第一电极230做成延伸到接触箔210。
然后将第一介电层220、第二介电层225和第一电极230共同烧制。介电层220、225可以具有上面参照图1A～1E讨论的材料相似的成分，而共同烧制工艺给出上述粘合和无缺陷处理的优点。从共同烧制步骤形成最终的电介质228，如图2D中所示。
在图2E中，一层介电物质的第三层用丝网印刷在图2D的共同烧制的构件上，形成一层第三介电层240。然后使第三介电层240干燥。在图2F中，外加一层第四介电层245并使其干燥。也可以采用单独一层介电物质。
在图2G中，在第四介电层245上形成一个第二电极250并使其干燥。第二电极250延伸到接触箔210。然后对该构件共同烧制。图2H例示共同烧制后的构件与形成的电介质260和电介质/电极叠层265。在共同烧制后，电介质260牢固地粘合在两个电极230、250上，而电极230、250是无裂缝的。
作为参照图2D和2H讨论的两个独立的烧制步骤的替代，在形成第二电极250之后可以进行一次单独的共同烧制。一次单独的共同烧制的优点是减少了生产费用。但是，两次独立的烧制允许检查第一电极230的缺陷如裂缝和第一次烧制后的印刷准直问题。
在图2I中，该构件可以颠倒和叠合。例如，箔210的组件表面能够与叠合材料270叠合。叠合可以用FR4聚酯胶片以标准的印刷线路板工艺进行。在一个实施例中，可以使用106聚氧树脂聚酯薄片。合适的叠合条件是在抽真空到28英寸汞柱的真空室中在208psi压力下用185℃加热1小时。可以用硅酮橡胶压垫和光滑的填充PTFE的玻璃防粘板与箔210接触来防止环氧树脂与叠合板粘在一起。一片箔280可以外加在叠合材料270上以提供一个产生电路的表面。上面参照图1E讨论的电容器构件100的实施例也可以用这种方式叠合。电介质聚酯薄片和叠合材料可以是任何种类的介电物质如标准的环氧树脂、高Tg环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氰酸酯树脂、填充的树脂系统、BT环氧树脂及其它在电路层之间提供绝缘的树脂和叠层。
参考图2J，在叠合后，在箔210上外加一种光敏抗蚀剂，而后利用标准的印刷线路板加工条件对箔210进行成象、蚀刻和剥落。蚀刻在箔210中产生槽215，该槽断开第一电极230和第二电极250之间的电接触。图2K是完成的电容器构件200的顶视平面图。箔210的区段216是形成的电容器构件200的一个电极，可以用导电径迹218连接到其它电路上。区段227联接在第二电极230上，可以通过导电径迹219连接到其它电路上。
上面讨论的电容器构件200由于其双层电容器构件而具有高的电容密度。此外，电容器构件200可以通过介电层和电极的共同烧制而没有裂缝。
图3例示电容器构件的第三实施例。电容器构件300是一个具有高的电容器密度的三层实施例。电容器层构件300包括一片箔310和多个电介质/电极叠层365(仅例示一个叠层365)。电介质/电极叠层365包括由电介质360分开的第一电极330和第二电极350，类似于上面讨论的电容器构件200的第一和第二电极230、250。每个电介质/电极叠层365也有一个在电介质360上形成的第三电极335。槽315断开箔310的一部分316及电极350与箔310的另一部分317、第一电极330及第三电极335之间的电接触。电容器构件300中可以包括叠合材料370和第二箔380。
电容器构件300能够用与电容器构件200相似的方式制造。叠层365中的电介质360的第三层部分可以用如上面讨论的一种或多种介电油墨形成，而电极335能够在电介质360上形成。
电介质/电极叠层365能够以三个单个步骤或单独一个步骤进行共同烧制。每个电极/电介质层的烧制可以检验产品的缺陷。但是，单独一次烧制能降低电容器构件300的生产费用。
电介质/电极叠层365中的附加层为电容器构件300提供高的电容密度。介电层和电极的共同烧制提供低的耗散因子和无裂缝的构件。
在其它实施例中，能够用交替形成的介电层和电极层产生四层或更多层的电容器构件并将这些层共同烧制。
在本说明书中讨论的实施例中，术语“浆料”可以对应于电子材料工业中使用的传统术语，一般指一种厚膜组分。通常，下印刷层浆料的金属组分与金属箔中的金属匹配。例如，如果使用铜箔，那么可以用铜浆料做下印刷层。其它应用例子可以是用相似的金属下印刷层浆料来与银箔和镍箔配对。厚膜浆料可以用于形成下印刷层和被动组件两者。
通常，厚膜浆料由溶解在增塑剂、分散剂和有机溶剂的混合物中的聚合物中分散的陶瓷、玻璃、金属或其它固体的细分微粒组成的。用于铜箔上的优选的电容器浆料具有在氮气氛中良好烧完的有机载体。此种载体通常包含极小量的树脂如高分子量乙基纤维素，这里只需小量来产生适用于丝网印刷的粘性。此外，混合在该介电粉末混合物中的一种氧化成分如硝酸钡粉末有助于使该有机组分在氧气氛中烧完。固体与基本上隋性的液体介质(“载体”)混合，然后在三辊研磨机上分散而形成适合于丝网印刷的浆料状组分。任何基本上隋性的液体均可用作载体。例如，具有或没有增厚剂和/或稳定剂和/或其它普通添加剂的各种有机液体都可以用作载体。
高K厚膜介电浆料通常包含分散在由至少一种树脂和至少一种溶剂组成的载体系统中的至少一种高K功能相粉末和至少一种玻璃粉末。该载体系统设计成丝网印刷来提供一层稠密而空间明确清楚的薄膜。该高K功能相粉末能够包含具有一般分子式ABO3的钙铁矿型铁电组分。这些组分的例子包括BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、CaTiO3、PbZrO3、BaZrO3和SrZrO3。通过将替代元素代入A和/或B的位置，也可以有其它组分，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3。TiO2和SrBi2Ta2O9是其它可能的高K材料。
上述组分的掺杂的和混合的金属型式也是适用的。掺杂和混合主要用于获得必需的终端用途性能规格，如必需的电容温度系数(TCC)，以便材料满足企业的技术条件确定，如“X7R”或“Z5U”标准。
浆料中的玻璃可以是如硼硅酸Ca-Al、硼硅酸Pb-Ba、硅酸Mg-Al、硼酸稀土和其它相似的玻璃组分。优选的是高K玻璃-陶瓷粉，如锗酸铅(Pb5Ge3O11)。
用于形成电极层的浆料可以基于铜、镍、银、含银贵金属组分中任何一种的金属粉末或这些化合物的混合物。优选的是铜粉组分。
本说明书中描述的电容器构件实施例有许多应用。例如，这些电容器构件实施例可以用在有机印刷电路板、IC封装件、所述构件在去耦合用途中的应用以及如IC组件或手持器件母板之类器件中。
在上述实施例中，所述电极层用丝网印刷形成。但是，也可采用其它方法，如将电极金属溅射沉积或蒸发在介电层表面上。
本发明的以上描述例示和描述了本发明。此外，该公开仅表示和描述了本发明的优选实施例，但可以理解，本发明能够用于各种其它组合、变化和环境中，并能够在本文表达的本发明概念的范围内与上述说明和/或相关技术的技能或知识相称地进行变化或修改。以上描述的实施例还预定说明已知的实施本发明的最佳方式，并能够使该技术的其它专业人员以这种或其它实施例以及利用通过本发明的特定应用或使用所需要的各种修改来利用本发明。因此，该描述预定并不将本发明限制于本文公开的形式。同时，预定附属的权利要求书包括替代的实施例。
例子
例1
参照图1A～1E，图中描述了电容器构件100的一个特定实施例。在该实施例中，箔110是一层铜箔。铜箔110的类型可以是印刷线路板工业中使用的任何商业级铜箔，并可以在1/3盎司铜箔(约12微米厚)至1盎司铜箔(约36微米厚)的范围内。铜箔110通过在箔110的选定面积上外加一层铜下印刷层浆料来预定处理。形成的产品而后在氮气中于900℃峰值温度烧制10分钟而形成下印刷层112，总周期时间约1小时。
在图1B中，通过400目丝网在预处理的铜箔110上丝网印刷一种厚膜介电油墨而产生一个1/2英寸乘1/2英寸的第一介电层120的图形。第一介电层120的湿印刷厚度约为12～15微米。第一介电层120在125℃干燥约10分钟，而第二介电层125用丝网印刷施加，随后在125℃干燥。厚膜介电油墨包括一种钛酸钡组分、一种氧化锆组分和一种玻璃-陶瓷相。
参照图1C，厚膜铜电极油墨层130通过400目丝网印刷在介电方块120上，并在125℃干燥约10分钟而形成一个0.9cm乘0.9cm的方块电极。通常，印刷电极130的厚度只受无针孔膜的需要的限制，通常在3～15微米范围内。形成的构件利用厚膜氮轮廓在900℃峰值温度共同烧制10分钟。
该氮轮廓在烧完区中包括小于50ppm的氧而在烧制区中包括2～10ppm氧，总周期时间为1小时。图1E中例示共同烧制形成的电介质/电极叠层140。
在该例子中，厚膜介电材料具有下列组分：
钛酸钡粉末                    64.18％
氧化锆粉末                    3.78％
玻璃A                         11.63％
乙基纤维素                     0.86％
Texanol                       18.21％
(2，2，4-三甲基-1，3-戌硫醇-异丁酸酯)
硝酸钡粉末                    0.84％
磷酸盐润湿剂                  0.5％
玻璃A包括：
氧化锗                        21.5％
四氧化铅                      78.5％
玻璃A组分对应于Pb5Ge3O11，该组分在烧制时沉淀出来，并有一约70～150的介电常数。该厚膜铜电极油墨包括：
铜粉末                        55.1％
玻璃A                         1.6％
氧化亚铜粉末                   5.6％
乙基纤维素T-200                1.7％
Texanol                       36.0％
在烧制后，电容器构件无裂缝并具有下列电学特性：
电容密度    约150毫微法/英寸2
耗散因子    约1.5％
绝缘电阻    ＞5×109欧姆
击穿电压    约800伏/密耳
在该例子中，使用铜作为材料来制成箔110和电极130是有利的，因为铜没有受到大的迁移程度。在常规的箔上独立烧制的方法中，铜和介电物质之间的大的TCE差别导致破裂和电极与电介质分离以及高的耗散因子。但是，通过对电极和电介质进行共同烧制，不产生破裂并获得低的耗散因子。
例2
重复例1中所述的过程，不同之处是厚膜电介质128是通过325目丝网印刷的，两层的每层润湿厚度为约15～20微秋。结果与例1的实施例相似，不同之处是电容密度为约120nF/英寸2。
例3
用下表中所示的各种电介质和电极尺寸重复例2中所述的过程：
电介质尺寸     电极尺寸(密耳)          (密耳)250×250        210×21056×340         40×320176×340        160×32096×180         80×15826×180         10×159176×180        160×15836×98          20×7756×100         40×78176×100        160×7836×58          20×3796×60          80×3836×38          16×1726×30          10×926×340         10×31890×90          70×70330×330        310×310119.5×119.5    109.5×109.5    电介质尺寸    电极尺寸(密耳)       (密耳)36×338      20×32096×340      80×32036×178      20×157336×180     320×15856×180      40×15826×100      10×7456×100      40×7896×100      80×7826×60       10×3956×60       40×3826×40       10×1856×40       40×1836×28       20×7336×340     320×318170×170     150×150240×240     229.5×229.5
这些实施例中的电容正比于印刷的铜电极的面积，但计算的电容密度基本上与例1的电容密度相同。

Claims (21)

1.一种用于制作在箔上烧制的电容器构件的方法，包括如下步骤：
提供一片金属箔；
在箔上形成至少一种第一电介质；
在第一电介质上形成至少一个第一电极；以及
对第一电介质和第一电极进行共同烧制。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，第一电极的形成包括如下步骤：
形成由一种金属组成的第一电极，其中该金属箔也由该金属组成。
3.权利要求2所述的方法，其特征在于，该金属是铜。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
在第一电极上形成至少一种第二电介质；以及
在该第二电介质上形成至少一个第二电极。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
对第二电介质和第二电极进行共同烧制。
6.权利要求4所述的方法，其特征在于，共同烧制包括如下步骤：
与第一电介质和第一电极一起对第二电介质和第二电极进行共同烧制。
7.权利要求4所述的方法，其特征在于包括：
在该箔中制成一条槽，以便使第一和第二电极电绝缘。
8.权利要求4所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
叠合箔的包含该第一电介质和第一电极的侧面。
9.权利要求4所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
在第二电极上形成至少一种第三电介质；以及
在第三电介质上形成至少一个第三电极。
10.权利要求9所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
对第三电介质和第三电极进行共同烧制。
11.权利要求9所述的方法，其特征在于，该共同烧制包括如下步骤：
与第一、第二电介质和第一、第二电极一起对第三电介质和第三电极进行共同烧制。
12.权利要求9所述的方法，其特征在于包括：
在箔中形成一个槽以便使第一和第三电极与第二电极电绝缘。
13.权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一片箔，包括如下步骤：
用一层下印刷层处理该箔；以及
在箔的软化点以下的温度进行烧制。
14.权利要求1所述的方法，其特征在于，第一电介质的形成包括如下步骤：
在箔上丝网印刷一层介电油墨；以及
使介电油墨干燥。
15.权利要求14所述的方法，其特征在于，第一电极的形成包括如下步骤：
在第一电介质上丝网印刷一层金属油墨；以及
使金属油墨干燥。
16.权利要求1所述的方法，其特征在于：
形成至少一种第一电介质的步骤包括在箔上形成多种第一电介质的图形；以及
形成至少一个第一电极的步骤包括在第一电介质上形成多个第一电极的图形。
17.一种电容器构件，包括：
一片金属箔；
配置在箔上的至少一种电介质；
配置在该电介质一部分上的至少一个电极；以及
配置在该电介质一部分和该第一电极一部分上的至少一个第二电极，其中该电介质一部分配置在该第一和第二电极之间。
18.权利要求17所述的电容器构件，其特征在于，该箔包括：
一条使第一电极与第二电极电绝缘的槽。
19.权利要求17所述的电容器构件，其特征在于：
该至少一种电介质包括多种电介质；
该至少一个第一电极包括多个第一电极；
该至少一个第二电极包括多个第二电极；以及
该电介质、第一电极和第二电极在金属箔上设置成多个叠层，每个叠层包括一个第一电极、一个第二电极和一种电介质。
20.权利要求19所述的电容器构件，其特征在于，包括：
多个第三电极，每个叠层中一个，其中每个第三电极配置在一部分相应的电介质和一部分相应的第一电极上，并电连接到该相应的第一电极上。
21.权利要求19所述的电容器构件，其特征在于，该金属箔与第一和第二电极由铜组成。
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