可键合多层陶瓷电容器及其制备方法

可键合多层陶瓷电容器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多层陶瓷电容器。更具体地，本发明涉及一种高可靠性、高容量密度的可键合多层陶瓷电容器以及该可键合多层陶瓷电容器的制备方法。
【背景技术】
[0002]传统的三维分立式无源元件是通过插入、焊接、表面贴装等方式制备，随着电子工业向微型化发展，微组装工艺逐渐取代插入、焊接、表面贴装等工艺。微组装工艺的关键在于元器件的可键合。可键合无源元件技术能够满足减少元件数量、压缩电路板尺寸、增加电路板功能、降低产品总体成本的需求。在电子设备中，电容器是三大主要无源元件之一，可键合多层陶瓷电容器在电子领域占有重要的地位。
[0003]国内外已经公开多项可键合式电容器的专利，基本都是单层结构的所谓的单层陶瓷电容器(Single Layer Capacitor, SLC)，这种电容器由单层陶瓷介质以及附着于陶瓷介质上下表面的金属电极构成。单层陶瓷电容器虽然可以满足微组装的金丝键合要求，但容量密度小，大容量的电容器(如容量大于0.0lPF)仍不可能制备。如美国专利US2003016485、中国专利CN1396606A、200410075380.1等均为公开了单层陶瓷电容器的制备的专利。
[0004]为了克服单层陶瓷电容器容量密度偏低的问题，一种解决办法是将多层陶瓷电容器加工成可键合的结构。国内外已经研制了多种可键合多层陶瓷电容器。与传统的多层陶瓷电容器相比，可键合多层陶瓷电容器主要将其外部电极置于电容器的上下两面，以便于一个电极贴装于电板另一个电极实现键合装配。这种结构主要通过以下几种方法实现。
[0005]一是在传统两端多层陶瓷电容器上进行改进，例如将电容器侧倒，使原来含有电极的两个侧面变成上下两面，或者将位于电容器两侧的外部电极分别继续延伸到上下两面，美国专利申请公开第US7791896B1号公开了这两种结构的多层陶瓷电容器。前者内部电极面积较少，有可能导致其电容量不高；后者需制成薄片，在制造过程及其后容易碎裂，从而出现故障。
[0006]二是对内部电极结构进行改进，通过各种方法改变内部电极结构，将其直接与上下两面的外部电极相连接。例如:美国专利申请公开第US7230815B1号公开了这种结构的可键合多层陶瓷电容器，该电容器中的第一和第二内电极分别都含有两个引出电极，并分别通过这些引出电极将其连接至上下外部电极。这种结构的电容器在层压或压缩过程中可能导致块体变形，从而引起切割缺陷，同时安装在电路板内部也容易碎化或裂化。三星电机株式会社申请的中国专利申请公开第CN 1832070号示出了一种高可靠性的可键合多层片形电容器，该电容器利用过孔将内部电极连接至外部电极，其碎裂比较少，但是，叠片过程中，过孔比较难以充分对准，因此，容易形成电极接触不良，不易做成小尺寸的电容器。

【发明内容】

[0007]鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高可靠性、高电容量的可键合多层陶瓷电容器以及该可键合多层陶瓷电容器的制备方法。
[0008]根据本发明的一方面，提供一种可键合多层陶瓷电容器，包括:多个陶瓷介电层；分别交替地形成在所述多个陶瓷介电层上的多个第一和第二内部电极；以及垂直穿过所述多个陶瓷介电层的第一类和第二类垂直过孔，所述第一类垂直过孔与所述第一内部电极的主电极相连接，并且所述第二类垂直过孔与所述第二内部电极的主电极相连接；所述第一类垂直过孔通向所述电容器的底部，与底部的外部电极相连接，并且所述第二类垂直过孔通向所述电容器的顶部，与顶部的外部电极相连接。
[0009]根据本发明的可键合多层陶瓷电容器，外部电极位于多层陶瓷电容器的上下位置，电容器被允许在基板内部进行安装，可经受较少碎裂，且可制作成小尺寸电容器。
[0010]在本发明中，也可以是，所述第一内部电极包括主电极和副电极，该主电极与副电极隔开预定距离；所述第二内部电极包括主电极和副电极，该主电极与副电极隔开预定距离。
[0011 ] 根据本发明，所述第一和第二内部电极的主电极和副电极不互相接触。
[0012]在本发明中，也可以是，所述第一类和第二类垂直过孔与第一和第二内部电极的连接是通过点与面接触的。
[0013]在本发明垂直中，也可以是，所述第一和第二内部电极中的每个均分别具有两个或多个第一类和第二类通孔；其中，所述第一过孔通过所述第一和第二内部电极中的所述第一类通孔；所述第二类垂直过孔通过所述第一和第二内部电极中的所述第二类通孔；所述第一类和第二类垂直过孔分别与所述第一类和第二类通孔的内圆周相接触。
[0014]在本发明中，也可以是，所述第一类和第二类过孔与所述第一和第二内部电极的连接是通过点与面接触的。
[0015]在本发明中，也可以是，所述第一类垂直过孔与第一内部电极的主电极的电极表面接触，与第二内部电极的副电极的电极表面接触；而第二类垂直过孔与第二内部电极的主电极的电极表面接触，与第一内部电极的副电极的电极表面接触。这种结构使得第一内部电极的主电极仅与第一类垂直过孔相连接，第二内部电极的主电极仅与第二类垂直过孔相连接。
[0016]在本发明中，也可以是，可键合多层陶瓷电容器可进一步包括:上外部电极，即顶电极，形成在所述电容器的顶部；以及下外部电极，即底电极，形成在所述电容器的底部，其中，第一类垂直过孔将第一内部电极的主电极与所述下外部电极相连接，第二类垂直过孔将第二内部电极的主电极与所述上外部电极相连接。上外部电极及下外部电极为可与金丝、金带、铝丝或铜丝键合的金属层。
[0017]在本发明中，也可以是，第一类垂直过孔通向下外部电极的部分与电路基板上的导电层相连接，并且第二类垂直过孔通向上外部电极的部分可在微组装中进行键合或与嵌入的印刷电路板的上导电层相连接。
[0018]根据本发明的实施例，可键合多层陶瓷电容器的厚度与长度和宽度的比率应当足够大，以确保电容器的可靠性。
[0019]本发明的另一方面提供了一种可键合多层陶瓷电容器的制备方法，该方法包括:采用溶剂为醇-酯混合溶剂的流延浆料制备陶瓷生带，切片，打孔，制备第一类、第二类陶瓷生片和第三类外电极陶瓷生片；通过在第一类陶瓷生片上形成两个或多个第一类和第二类垂直过孔，并且在第一类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第一内部电极，主电极与副电极隔开预定距离，第一类和第二类垂直过孔分别用于引出第一内部电极的主电极和副电极；通过在第二类陶瓷生片上形成两个或多个第一类和第二类垂直过孔，并且在第二类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第二内部电极，主电极与副电极隔开预定距离，第一类和第二类垂直过孔分别用于引出第二内部电极的副电极和主电极；通过在第三陶瓷生片上形成两个或多个第一类或第二类通孔，用于连接内部电极的第一类过孔或第二类垂直过孔；通过交替地层叠所述第一类陶瓷生片和第二类陶瓷生片，并在顶层和底层重叠第三陶瓷生片，从而形成陶瓷坯体，并烧结成陶瓷板。在陶瓷板底部和顶部形成上下外部电极，分别连接至所述第一类和第二类垂直过孔。
[0020]在本发明中，也可以是，多个填满电极的所述第一类和第二类通孔分别相重叠形成所述第一类和第二类垂直过孔。
[0021]根 据本发明，电极之间的相互连接是通过点与面相对准，和点与点对准相比，可增加电极间的连接作用，同时，两个或多个第一和第二过孔也可提高电极间的连通性，使得多层陶瓷电容器内部不易发生断路，提高电容器的可靠性，可制备成小尺寸电容器。此外，本发明中的可键合多层陶瓷电容器中的面电极可与相邻的内电极间形成一个小电容，可提升单个电容器的电容量。
[0022]通过结合附图的以下详细描述，本发明的上述和其它方面的特征与优点将更加显而易见。
【附图说明】
[0023]图1示意性示出了根据本发明的一实施形态的可键合多层陶瓷电容器在X方向、y方向上穿过过孔的截面图；
图2a至图2b示出了根据本发明的该实施形态的可键合多层陶瓷电容器的第一和第二内电极的示意性结构立体图；
图3a至图3b示出了根据本发明的该实施形态的可键合多层陶瓷电容器的顶部和底部的上下外部电极的示意性结构立体图。
【具体实施方式】
[0024]以下将结合附图来详细描述本发明的优选实施形态，更确切地说，本发明可以被实施为许多不同形式并且不受本文所阐述的实施例限制。在整个说明书中，相同的或等同的元件以相同的附图标记标示。
[0025]图1示意性示出了根据本发明的一实施形态的可键合多层陶瓷电容器在X方向、y方向上穿过过孔的截面图；图2a至图2b是示意性地示出了图1的可键合多层陶瓷电容器的第一和第二内电极的结构的立体图；并且图3a至图3b是示意性地示出了图1的可键合多层陶瓷电容器的顶部和底部的上下外部电极的结构的立体图。
[0026]根据本发明的该实施形态，X方向是指陶瓷体的长度方向，并且y方向是指陶瓷体的宽度方向，z方向(陶瓷体的厚度方向)是指以这样的方向堆叠内部电极，并且一个介电层介于所堆叠的相邻的内部电极之间。
[0027]参照图1、图2a-图2b、及图3a-图3b，根据本发明的实施形态的可键合多层陶瓷电容器100可包括介电层、第一和第二内部电极103和104、第一类和第二类垂直过孔113和114、以及分别形成在电容器100的顶部和底部的上下外电极101和102。
[0028]电容器100的形状和尺寸没有特别的限制，可以制作高容量的可键合多层陶瓷电容器。
[0029]电容器100具有堆叠的多个介电层(参考图1、图2a-图2b、及图3a-图3b中的附图标记41、42、51和52)，烧结所堆叠的介电层从而形成电容器器身。介电层41、42、51和52可通过烧结包括陶瓷粉末、醇-酯混合溶剂和有机粘接剂的陶瓷生片形成，本发明可采用的是具有X7R或X8R等温度特性的陶瓷粉末。
[0030]如图1所示，第一内部电极103和第二内部电极104分别形成在介电层41和42上，并且交替地堆叠，从而形成电容器器身。第一内部电极103和第二内部电极104具有相反的极性。
[0031]根据本发明的该实施形态，第一内部电极103和第二内部电极104可以包括导电金属，并且所述导电金属可以是银钯电极、镍电极等。
[0032]如图2a所示，第一内部电极103包括主电极103a和副电极103b，如图2b所示，第二内部电极104包括主电极104a和副电极104b。此外，第一类和第二类垂直过孔113和114在电容器器身105中垂直地延伸。第一类垂直过孔113与第一内部电极103的主电极103a和第二内部电极104的副电极104b相连接，第二类垂直过孔114与第一内部电极103的副电极103b和第二内部电极104的主电极104a相连接。
[0033]第一类和第二类垂直过孔113和114均能导电，导电金属可为银钯电极。第一类垂直过孔113通向电容器100的底部，与下外部电极102相连接，第二类垂直过孔114通向电容器100的底部，与上外部电极101相连接。
[0034]图2a至图2b是示意性地示出了图1的可键合多层陶瓷电容器的第一和第二内部电极的结构的立体图。参考图2a至图2b，第一内部电极103和第二内部电极104分别形成在介电层41和42上，并且第一内部电极103和第二内部电极104上均有两个第一类垂直过孔113和第二类垂直过孔114。
[0035]如图2a所不，阴影部分为第一内部电极103。第一内部电极103被分割成大小不等的两部分，面积较大的一部分为主电极103a，另一部分为副电极103b，副电极103b与主电极103a隔开预定距离，第一类垂直过孔113连接至所述第一内部电极103的副电极103b，第二类垂直过孔114连接至第一内部电极103的主电极103a，使得在第一内部电极103上，第二类垂直过孔114不与第一类垂直过孔113相连接。
[0036]如图2b所示，阴影部分为第二内部电极104。第二内部电极104被分割成大小不等的两部分，面积较大的一部分为主电极104a，另一部分为副电极104b，副电极104b与主电极104a隔开预定距离，第一类垂直过孔113连接至第二内部电极104的主电极104a，第二类垂直过孔114连接至第二内部电极104的副电极104b，使得在第二内部电极104上，第二类垂直过孔114不与第一类垂直过孔113相连接。
[0037]第一内部电极103和第二内部电极104可采用丝网印刷形成在介电层上。
[0038]图3a至图3b是示意性地示出了图1的可键合多层陶瓷电容器的上下外部电极的结构的立体图，阴影部分为外部电极。上下外电极101和102形成在介电层51和52上。
[0039]由图3a所示，上外部电极101与第二类垂直过孔114相连接，不与第一类垂直过孔113相连接。
[0040]由图3b所示，下外部电极102与第一类垂直过孔113相连接，不与第二类垂直过孔114相连接。
[0041]上下外电极101和102可以包括导电金属，并且所述导电金属可以是银钯电极、金电极等能满足键合需要的金属。
[0042]本发明另一方面提供上述嵌入式可键合多层陶瓷电容器的制备方法。
[0043]采用混有陶瓷粉末、醇-酯混合溶剂和有机粘接剂的流延浆料制备陶瓷生带，陶瓷粉末可包括具有X7R或X8R等温度特性的钛酸钡(BaT13)或钛酸钙(CaT13)等所有陶瓷电介质材料。
[0044]对陶瓷生带进行切片，通过机械法或激光法对陶瓷生片进行打孔，制备第一类、第二类陶瓷生片和第三类外电极陶瓷生片。
[0045]采用丝网印刷、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积等方法在陶瓷生片上形成电极，且电极材料可包括银钯电极、镍电极，铜电极、金电极等导电金属材料中的一种或若干种的组合。
[0046]在第一类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第一内部电极103，主电极与副电极隔开预定距离，第一类和第二类垂直过孔分别用于引出第一内部电极103的主电极103a和副电极103b ;在第二类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第二内部电极104，主电极与副电极隔开预定距离，第一类和第二类垂直过孔分别用于引出第二内部电极的副电极104b和主电极104a。
[0047]通过交替地层叠所述第一类陶瓷生片和第二类陶瓷生片，并在顶层和底层重叠第三陶瓷生片，从而形成陶瓷坯体，并烧结成陶瓷板。 在陶瓷板底部和顶部形成上下外部电极，分别连接至所述第一类和第二类垂直过孔。
[0048]多个填满电极的所述第一类和第二类通孔分别相重叠形成所述第一类和第二类垂直过孔。
[0049]下面进一步举例实施例以详细说明本发明，同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
[0050]作为实施例1，可以包括以下步骤。
[0051](I)按流延浆料体系中的各相配比，称取商业化的具有X7R温度特性的钛酸钡(BaT13)陶瓷粉末、加入醇-酯混合溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂进行一次性球磨，经真空脱泡后，流延成型，得到所述嵌入式多层陶瓷电容器的低温共烧陶瓷生带材料。
[0052](2)采用本发明的制备方法制得的成卷LTCC生带表面平整，厚度均匀。
[0053](3)将制备好的成卷LTCC生带材料切成大小相同的单层LTCC生片，并进行打孔，制备第一类陶瓷生片，第二类陶瓷生片，第三类外电极陶瓷生片。
[0054](4)按照图2a-图2b、及图3a_图3b所设计图案准备填孔网版，内电极网版。通过丝网印刷先对陶瓷生片进行填孔，并印刷电极图案。
[0055](5)对陶瓷生片进行定位叠层。
[0056](6)对陶瓷生片印刷上下面电极。采用热等静压成型，然后切割成单个电容器。将陶瓷生片合成板放入马弗炉中，排塑，烧结，即可得到可键合多层陶瓷电容器。
[0057]作为实施例2，可以包括以下步骤。
[0058](I)该可键合多层陶瓷电容器制备过程中的浆料配$1」、流延、打孔、丝网印刷、叠片流程与示例I中前5个步骤相同。
[0059](2)对陶瓷生片采用热等静压成型，切割成大片陶瓷坯体，每片中含有多个多层陶瓷电容器坯体。将大片陶瓷坯体放入马弗炉中，排塑，烧结，平复。
[0060](3)对烧结后的大片陶瓷烧结体进行表面金属化，并切割，即可得到可键合多层陶瓷电容器。
[0061]本发明采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术来制备可键合多层陶瓷电容器，产品可控性高，重复性好，成本较低，适合规模生产。所制备的可键合多层陶瓷电容器具有顶部-底部电极结构的小尺寸电容器，可用于微组装键合工艺，也可以在多层印制电路板(PCB)中作为嵌入式电容器使用，从而减少电路板上所占的空间。可键合多层陶瓷电容器的厚度与长度和宽度的比率应当足够大，使其即使是在印刷电路板弯曲的情况下，也不被碎裂。另外，该可键合多层陶瓷电容器中的面电极可与相邻的内电极间形成一个小电容，可提升单个电容器的电容量。
[0062]在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
【主权项】
1.一种可键合多层陶瓷电容器，包括: 多个陶瓷介电层；分别交替地形成在所述多个陶瓷介电层上的多个第一和第二内部电极；以及垂直穿过所述多个陶瓷介电层的第一类和第二类垂直过孔，所述第一类垂直过孔与所述第一内部电极的主电极相连接，并且所述第二类垂直过孔与所述第二内部电极的主电极相连接；所述第一类垂直过孔通向所述电容器的底部，与底部的外部电极相连接，并且所述第二类垂直过孔通向所述电容器的顶部，与顶部的外部电极相连接。2.根据权利要求1所述的可键合多层陶瓷电容器，所述第一内部电极包括主电极和副电极，该主电极与副电极隔开预定距离；所述第二内部电极包括主电极和副电极，该主电极与副电极隔开预定距离。3.根据权利要求1所述的可键合多层陶瓷电容器，所述第一和第二内部电极中的每个均分别具有两个或多个第一类和第二类通孔； 其中，所述第一类垂直过孔通过所述第一和第二内部电极中的所述第一类通孔；所述第二类垂直过孔通过所述第一和第二内部电极中的所述第二类通孔；所述第一类和第二类垂直过孔分别与所述第一类和第二类通孔的内圆周相接触。4.根据权利要求1所述的可键合多层陶瓷电容器，所述第一类和第二类垂直过孔与所述第一和第二内部电极的连接是通过点与面接触的。5.根据权利要求2所述的可键合多层陶瓷电容器，所述第一类垂直过孔与所述第一内部电极的主电极的电极表面接触，与所述第二内部电极的副电极的电极表面接触； 所述第二类垂直过孔与所述第一内部电极的副电极的电极表面接触，与所述第二内部电极的主电极的电极表面接触。6.根据权利要求1所述的可键合多层陶瓷电容器，进一步包括: 形成在所述电容器的顶部的上外部电极；以及形成在所述电容器的底部的下外部电极，其中，所述第一类垂直过孔将所述第一内部电极与所述下外部电极相连接，所述第二类垂直过孔将所述第二内部电极与所述上外部电极相连接；所述上外部电极及下外部电极为能够与金丝、金带、铝丝或铜丝键合的金属层。7.一种可键合多层陶瓷电容器的制备方法，包括: 通过在第一类陶瓷生片上形成两个或多个第一类和第二类通孔，并且在所述第一类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第一内部电极，该主电极与副电极隔开预定距离，所述第一类和第二类通孔分别用于引出所述第一内部电极的主电极和副电极； 通过在第二类陶瓷生片上形成两个或多个第一类和第二类通孔，并且在所述第二类陶瓷生片上形成主电极和副电极而构成第二内部电极，该主电极与副电极隔开预定距离，所述第一类和第二类通孔分别用于引出所述第二内部电极的副电极和主电极； 通过在第三类外电极陶瓷生片上形成两个或多个第一类或第二类通孔，用于连接内部电极的第一类或第二类垂直过孔； 通过交替地层叠所述第一类陶瓷生片和第二类陶瓷生片，并在顶层和底层重叠第三类外电极陶瓷生片，从而形成陶瓷坯体，并烧结成陶瓷板； 在陶瓷板底部和顶部形成上下外部电极，分别连接至所述第一类和第二类垂直过孔。8.根据权利要求7所述的制备方法，多个填满电极的所述第一类和第二类通孔分别相互重叠形成所述第一类和第二类垂直过孔。9.根据权利要求1至6中任一项所述的可键合多层陶瓷电容器在多层印制电路板中作为嵌入式电容器使用。
【专利摘要】本发明提供一种高可靠性、高电容量的可键合多层陶瓷电容器及其制备方法，该可键合多层陶瓷电容器包括：多个陶瓷介电层；分别交替地形成在所述多个陶瓷介电层上的多个第一和第二内部电极；以及垂直穿过所述多个陶瓷介电层的第一类和第二类垂直过孔，所述第一类垂直过孔与所述第一内部电极的主电极相连接，并且所述第二类垂直过孔与所述第二内部电极的主电极相连接；所述第一类垂直过孔通向所述电容器的底部，与底部的外部电极相连接，并且所述第二类垂直过孔通向所述电容器的顶部，与顶部的外部电极相连接。
【IPC分类】H01G4/30, H01G4/232
【公开号】CN104900406
【申请号】CN201510291404
【发明人】顾燕, 刘志甫, 李永祥, 庄彤, 冯毅龙, 杨俊峰
【申请人】中国科学院上海硅酸盐研究所, 广州天极电子科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月1日