專利名稱：高電容單層電容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及單層電容器，更具體地，涉及高電容單層陶瓷電容器和制造該電容器的方法。
背景技術：
單層陶瓷電容器具有有益的形狀系數，以組裝到存在于印刷電路板上的電路或者在空間有限的芯片載體或其它封裝件內的集成電路中。陶瓷電容器的尺寸可以與容納集成電路的芯片載體或者印刷電路板內的限制匹配。典型地，用導電性環氧樹脂將陶瓷電容器的底面焊接到或者連接到印刷電路板的表面，并且陶瓷電容器的頂面有用作另一電路連接端點的一個或多個導電焊盤。典型地，通過金屬化燒結的陶瓷材料的薄片的兩面來制造單層陶瓷電容器。然后，通過鋸切或者砂輪切割技術將金屬化的陶瓷屏蔽(shield)切割成一定尺寸。盡管這些電容器的形狀系數是理想的，但是可達到的電容量限制了它們在某些應用中的有用性，尤其在設計考慮要求特別小或特別薄的電容器時。在這種情形下，電容器不具有足以在組裝到電路期間經受在例行處理中不期望的破裂或碎裂的結構強度。結果，必須在為了更大的強度而使用較厚的陶瓷層與為了更大的電容而使用較薄的陶瓷層之間做出設計折衷。先前對在單層電容器中達到更高電容、同時保持結構強度的嘗試包括使用平坦的、水平的電容器，其中，在其具有間隙的下側進行金屬化。該設計所帶來的問題是其在大于幾吉赫的頻率處產生了不需要的共振。另一方法使用常備的介電芯片，其具有相對的金屬化表面并且具有附接至各個表面的金屬引線。該設計所帶來的問題是引線是易碎的，并且在制造、運送、處理以及按軌跡焊接到適當位置期間需要特別小心。另外，常備的引線電容器產生了顯著的信號共振，尤其對于大于幾吉赫的頻率而言。對制造電容更高的單層電容器的進一步嘗試包括將多層材料層壓在一起。這些多層包括陶瓷介電材料和陶瓷/金屬復合材料片。該設計所帶來的問題是制造工藝包括將片層壓在一起，并且陶瓷/金屬復合材料非常昂貴。另一陶瓷電容器設計將至少一個內部金屬化平面或板和實現多個冗余電連接的許多通孔(via)包括在電容器內。非常難于制造這樣的設計以提供通過許多通孔所連接的內部金屬化平面或板。因此，存在對廉價且易于制造的高電容單層陶瓷電容器的需要。
發明內容
本發明提供了容易且廉價地制造的、具有高電容和高結構強度的單片式單層電容器。本發明的電容器提供了在相對的頂面和底面上進行電連接。該電容器提供了比現有設計更高的電容值、同時仍保持形狀系數和高結構強度。陶瓷電容器包括應用于陶瓷體的一個至五個表面的連續金屬化物，該金屬化物與一個或多個內部電極接觸。一個或多個另外的金屬化焊盤應用于電容器的頂面。至外部電路的電連接是通過附接至電容器的頂面和底面而實現的。可以通過使用坯體的(green)陶瓷棒來制造電容器，其中該電容器是用一個或多個內部電極來構建的。切割該棒并且燒制獨立的芯片。在所有側面上金屬化電容器，并且通過使用激光、機械研磨或者其它工藝去除金屬化物的一部分以隔離頂部導電焊盤，形成頂部焊盤。可替選地，在隔離頂部導電焊盤之前可以將鈍化材料應用于電容器的表面上。一個或多個內部電極可以延伸穿過電容器的部分或整個寬度，并且與位于陶瓷體的一個側面和頂面或底面上的導電金屬化層接觸。在制造工藝期間，可以沿著邊緣表面將堡形孔(castellation hole)或開口切割或者鉆通陶瓷體的寬度,該堡形孔或開口在制造處理期間可以被完全填充或者僅使內表面被涂覆。
對于其它具體應用，內部電極和底部導電焊盤可以通過通孔電連接。通孔可以延伸穿過陶瓷體的整個高度，并且在介電片堆疊后被鉆孔。單獨地或者作為形成頂部導電焊盤和底部導電焊盤的一部分，可以用導電材料填充通孔。在另一替選實施例中，電容器可以包括具有延伸穿過器件的整個寬度的至少兩個內部電極的陶瓷介電體，該至少兩個內部電極被具有已知厚度的介電材料層分離。每個內部電極均與位于陶瓷體的一個側面和頂面或底面的至少一部分上的導電金屬化層接觸。形成頂部導電焊盤和底部導電焊盤的相對的兩個金屬化層被電絕緣材料分離，該電絕緣材料圍繞器件的周界延伸從而沿側面貫穿器件。
圖I是本發明的單層電容器的透視圖；圖2是圖I的電容器的截面圖；圖3是本發明的替選單層電容器的截面圖；圖4是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；圖5是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；圖6是圖5的電容器的截面圖；圖7是圖5的電容器的電路簡圖；圖8是本發明的另一替選實施例的單層電容器的截面圖；圖9a是本發明的另一替選實施例的單層電容器的截面圖；圖9b是本發明的另一替選實施例的單層電容器的截面圖；圖IOa是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；圖IOb是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；圖IOc是圖IOb的電容器的截面圖；圖Ila是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；圖Ilb是圖Ila的截面圖；圖12a是本發明的另一替選實施例的單層電容器的透視圖；以及
圖12b是圖12a的截面圖。
具體實施例方式如在圖I和圖2中所示，本發明提供了容易且廉價地制造的表面可安裝的高電容單層陶瓷電容器10，該電容器具有高結構強度。該電容器包括陶瓷介電層12，該陶瓷介電層具有應用于全部四個側面16、18、20、22和底面24的部分或者連續的金屬化層14。介電層12 (本文中也稱為陶瓷體)包括內部電極26，該內部電極延伸穿過陶瓷體的整個寬度并與在側面16和20上的金屬化層14電接觸，例如，如圖2中所示。該電容器還包括位于陶瓷體12的頂面30上的金屬化焊盤28。可以通過附接至頂部金屬化焊盤28和在底面24上的底部金屬化層14或者附接至側面16、18、20和22來進行到外部電路的電連接。電容器內的電容值可以通過公式C=eA/d來描述，其中e=介電體材料的介電常數，A=頂部焊盤28的面積，以及d=頂部焊盤28與電極26之間的距離。不同于標準的單層電容器，可以通過包括電極而在沒有對部件的結構 和強度進行折衷的情況下最小化距離d。由于放置了電極，因此d較小，而通過使一定厚度的材料在電極下方來達到電容器的強度。盡管圖I和圖2示出了具有單個電極26的單層陶瓷電容器，但是也可以如圖3所示的那樣包含多個電極，其中電容器32包括位于陶瓷介電體38內的如以34和36示出的兩個或更多個電極。電容器可以通過使用坯體的陶瓷棒來制造，并且通過將電極放置在各個陶瓷介電材料層之間來利用一個或多個內部電極來構建。陶瓷材料可以為I類、2類或3類陶瓷或者認為適合于制造多層陶瓷電容器或單層電容器的任何其他陶瓷。所得到的燒制電容器是單層電介質，然后，通過電鍍(plating)在全部六個側面上對其金屬化。然后，通過使用激光、機械研磨或其它技術從頂面去除金屬化的外面部分而創建頂部導電板，形成頂部焊盤28。可替選地，如圖4所示，在金屬化之前，諸如非可鍍玻璃的鈍化表面或者其他絕緣材料40可以應用于頂面30上。然后，將棒切割成分立部件。當對電容器進行金屬化時，鈍化材料在電鍍的側面與頂部焊盤28之間產生空隙。鈍化材料在頂部導電板與連接到內部導電電極的底部金屬化物之間產生空隙。圖I到圖4示出了方形電容器，然而，如圖5所示，電容器42可以是矩形，并且可以包括多個頂部導電焊盤44、46和48。焊盤44到48的尺寸可以是相同的或不同的。利用多個導電焊盤可以創建電容器陣列，其中可以改變或者定制焊盤尺寸，以使得如圖7所示的各電容器50、52和54的值可以不同。圖8示出了本發明的另一實施例的單層電容器60。電容器60為浮置電容器(floating capacitor)，其為串聯的兩個電容器。類似于圖3，電容器60包括其中放置有電極64和66的陶瓷體62。金屬化層68應用于陶瓷體62的全部四個側面，并且金屬化焊盤70位于頂面72上而金屬化焊盤74位于陶瓷體的底面76上。類似于其它實施例中的焊盤，形成了焊盤70和74。本發明的電容器例如不限于但對于方形版本而言可以具有范圍從O. 010” X0. 010”到O. 090” X0. 090”的尺寸，并且不限于但可以具有范圍從O. 003”到O. 020”的厚度。本發明的一些優點包括每單位體積具有更高電容以及能夠使用各種介電質，這產生了寬的電容范圍。該電容器消除了對高成本材料的需求并且提供了在相同的電容器帶內制作具有任何大小和不同電容值的單層電容器陣列的能力。本發明的電容器還允許定制電容值，并且利用薄的介電層來提供高電容值而不犧牲結構強度。圖9a示出了具有內部電極82的單層陶瓷電容器80，該內部電極82部分地延伸穿過陶瓷體84的寬度。電極82與沿著側表面88的金屬化層86電接觸。金屬化層86沿著側表面88和底面90放置。金屬化焊盤92位于頂面94上。圖9b示出了具有兩個內部電極98和100的單層陶瓷電容器96，其中該兩個內部電極98和100部分地延伸穿過陶瓷體84，并且分別與沿著側表面88和102的金屬化層86電接觸。金屬化層86沿著陶瓷體的側表面88、底面90以及側表面102延伸。金屬化焊盤92位于陶瓷體的頂面94上。應理解，在該配置中，一個或多個電極可以位于陶瓷體內，該一個或多個電極部分地延伸穿過該陶瓷體的寬度，并與位于陶瓷體的至少一個側面和陶瓷體的頂面或底面中的至少一部分上的導電金屬化層接觸。電隔離的金屬化焊盤可以位于電容器的相對的頂面或者底面上。替選地，電隔離的焊盤92可以與另一導電焊盤位于相同表面。用于制造如圖9a和圖9b所示的電容器的方法包括在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極；在坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部和底部金屬化物；將片切割成獨立的陶瓷芯片；燒制芯片以將介電片的層和電極與金屬化物燒結在一起；用導電膠對 芯片的一個或多個側面進行金屬化；燒制或固化導電膠；以及可選地，對所有金屬化表面進行電鍍。另一種制造電容器的方法包括如下步驟在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極；在坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部和底部金屬化物；將片切割成獨立的陶瓷芯片；在坯體的陶瓷芯片的至少一個側面上印刷金屬化物；燒制芯片以將介電片的層和電極與金屬化物燒結在一起；以及可選地，對所有金屬化表面進行電鍍。另一種制造電容器的方法包括如下步驟在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極；在坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部和底部金屬化物；燒制芯片以將介電片的層和電極與金屬化物燒結在一起；在燒制的陶瓷片的表面上印刷抗蝕層(resist)或掩膜；切割燒制的陶瓷片以創建獨立的芯片，并且優選對陶瓷芯片進行電鍍或涂覆，這可包括或者可不包括去除抗蝕層或掩膜的步驟。參照圖10a，示出了另一替選的單層陶瓷電容器110。電容器110包括在兩個側表面114和116上的堡體(castellation)112。堡體112是陶瓷體的移除部分，以使得金屬化層可以與埋置于陶瓷體內的電極電連接。電隔離的金屬化焊盤118位于陶瓷體的頂面120上。圖IOb和圖IOc更詳細地示出了本概念。電容器122包括具有電極126和128的陶瓷體124，其中電極126和128從位于側面132上的金屬化層130和位于側面136上的金屬化層134延伸。電容器122還包括部分地延伸穿過陶瓷體124但不完全延伸至側面136的電極138。堡體140被切入側表面136，以使得金屬化層134可以與電極138接觸。頂面142包括位于每一側的兩個金屬化焊盤144和146。在本實施例中，當金屬化層134應用于側表面136和頂面142時，堡體140被完全填充并成形。用于制造圖IOa到圖IOc的高電容單層陶瓷電容器的方法包括如下步驟在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極；切割或鉆出堡形孔；用導電膠填充堡形孔；在坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部金屬化層和底部金屬化層；將片切割成的獨立的陶瓷芯片從而使堡形孔暴露；在坯體狀態的陶瓷芯片的至少一個側面上印刷金屬化層；燒制芯片以將介電片的層和電極與金屬化層燒結在一起。電容器還可以可選地包括對所有金屬化表面進行電鍍的步驟。如上所述，堡體可以被完全填充或者僅具有在金屬化步驟中所涂覆的內表面。在本實施例中，每個電容器具有至少一個堡體。堡體孔填充步驟也可以與對頂部導電表面和底部導電表面進行印刷相結合。圖Ila和圖Ilb示出了另一替選的高電容單層陶瓷電容器150，其具有部分地延伸穿過陶瓷體154的寬度的至少一個內部電極152。電容器150具有位于陶瓷體的底面158上的金屬化層156和位于陶瓷體的頂面162上的電隔離的頂部焊盤160。內部電極152通過通孔164電連接到金屬化層156。在堆疊所有介電片后，將通孔鉆通陶瓷體的整個高度。作為對底部金屬化層156或頂部導電焊盤160進行印刷的一部分，單獨地用導電膠或用金屬化物填充通孔。在圖12a和圖12b中示出另一替選實施例的高電容單層陶瓷電容器170。電容器170包括具有兩個電極174和176的陶瓷體172，其中兩個電極174和176延伸穿過陶瓷體的整個寬度且被具有已知厚度的介電材料層分離。每個內部電極分別與導電金屬化層180 和182接觸，其中導電金屬化層180和182位于陶瓷體的至少一個側面以及頂面和底面中的至少一部分上。圖12a和圖12b示出了位于側表面184和186以及頂面188上的金屬化層180。金屬化層182也位于側表面184和側表面186以及底面190上。形成頂部導電焊盤和底部導電焊盤的相對的兩個金屬化層被電絕緣材料192分離，其中該電絕緣材料圍繞器件的周界延伸而穿進陶瓷體內一定距離。用于制造電容器170的方法包括如下步驟在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置兩個或更多個電極，并且放置能夠經受稍后的金屬化步驟的坯體狀態的電絕緣材料的網狀物(web)，其中兩個電極被具有已知厚度的坯體介電片分離；將片切割成獨立的陶瓷芯片，從而使在每個電容器的所有側面上的非導電網狀物暴露；燒制芯片以將介電片的層和電極與金屬化層燒結在一起；以及選擇性地對所有金屬化表面進行電鍍。盡管關于本發明的幾個實施例描述且示出了本發明，但是應該理解，可以在權利要求所要求的整個預期范圍內進行改變或變型。
權利要求
1.一種高電容單層陶瓷電容器，包括陶瓷介電體，具有至少一個內部電極，所述至少一個內部電極延伸穿過所述陶瓷介電體的寬度的一部分并與導電金屬化層電接觸，所述導電金屬化層位于所述陶瓷體的一個側面和頂面或底面中的至少一部分上；以及至少一個電隔離的金屬化焊盤，位于所述陶瓷體的相對的頂面或底面。
2.根據權利要求I所述的電容器，還具有在所述陶瓷體內隔開的兩個或更多個電極。
3.根據權利要求I所述的電容器，其中，在所述電容器的頂面或底面上存在彼此電隔離的多個金屬化焊盤。
4.根據權利要求3所述的電容器，其中，所述金屬化焊盤具有不同尺寸。
5.根據權利要求I所述的電容器，其中，所述陶瓷體具有堡體，所述堡體具有沿著側表面的金屬化層以與又一電極電連接。
6.一種高電容單層陶瓷電容器，包括陶瓷介電體，具有至少一個內部電極，所述至少一個內部電極延伸穿過所述陶瓷介電體的寬度的一部分并與導電金屬化層電接觸，所述導電金屬化層位于所述陶瓷體的一個側面和頂面或底面中的至少一部分上；以及位于所述頂面或底面上的又一電隔離的金屬化焊盤，其與所述電極電接觸。
7.根據權利要求6所述的電容器，還具有在所述陶瓷體內隔開的兩個或更多個電極。
8.根據權利要求6所述的電容器，其中，所述陶瓷體具有堡體，所述堡體具有沿著側表面的金屬化層以與又一電極電連接。
9.一種高電容單層陶瓷電容器，包括陶瓷介電體，具有至少一個內部電極，所述至少一個內部電極延伸穿過所述陶瓷介電體的寬度的一部分并通過通孔與位于所述陶瓷體的頂面或底面上的導電金屬化層電接觸，所述通孔包括延伸穿過所述陶瓷體的整個高度并與所述頂面或底面電連通的金屬化層；以及又一電隔離的金屬化焊盤，位于相對的頂面或底面。
10.一種高電容單層陶瓷電容器，包括陶瓷介電體，具有至少兩個內部電極，所述至少兩個內部電極延伸穿過所述陶瓷體的整個寬度并被具有已知厚度的介電材料層分離，每個內部電極均與單獨的導電金屬化層電連通，所述導電金屬化層位于所述陶瓷體的至少一個側面和頂面或底面中的至少一部分上，所述導電金屬化層被電絕緣帶分離，所述電絕緣帶圍繞所述陶瓷體的側表面延伸且部分地延伸進所述電極之間的介電層中。
11.一種制造高電容單層陶瓷電容器的方法，包括如下步驟 在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極； 在所述坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部金屬化層和底部金屬化層； 將所述坯體狀態的陶瓷介電片切割成獨立的陶瓷芯片； 燒制所述芯片以將所述介電片的層和所述電極與所述頂部金屬化層和所述底部金屬化層燒結在一起； 用導電膠金屬化所述芯片的一個或多個側面； 固化所述導電膠。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，固化所述導電膠的步驟是通過燒制來進行的，并且所述方法還包括對所有金屬化表面進行電鍍的步驟。
13.—種制造高電容單層陶瓷電容器的方法，包括如下步驟 在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極；在所述坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部金屬化層和底部金屬化層； 將所述坯體狀態的陶瓷介電片切割成獨立的陶瓷芯片； 在所述坯體狀態的陶瓷芯片的至少一個側面上印刷金屬化層；以及 燒制所述芯片以將所述介電片的層和所述電極與所述金屬化層燒結在一起。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括對所有金屬化表面進行電鍍的步驟。
15.一種制造高電容單層陶瓷電容器的方法，包括如下步驟 在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極； 在所述坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部金屬化層和底部金屬化層； 燒制所述坯體狀態的陶瓷片以將所述介電片的層和所述電極與所述金屬化層燒結在一起; 在所燒制的陶瓷片的表面上印刷抗蝕層或掩膜； 切割所燒制的陶瓷片以創建獨立的芯片；以及 優先對所述陶瓷芯片進行電鍍或涂覆，其可包括或者可不包括去除所述抗蝕層或掩膜的步驟。
16.一種制造高電容單層陶瓷電容器的方法，包括如下步驟 在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置一個或多個電極； 沿著所述坯體狀態的陶瓷介電片的邊緣切割或鉆出堡型孔； 填充所述堡型孔； 在所述坯體狀態的陶瓷片上印刷頂部金屬化層和底部金屬化層； 將所述坯體狀態的陶瓷片切割成獨立陶瓷芯片，從而使所述堡型孔暴露； 在所述坯體狀態的芯片的至少一個側面上印刷金屬化層；以及 燒制所述芯片以將所述介電片的層和所述電極與所述金屬化層燒結在一起。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括對所有金屬化表面進行電鍍的步驟。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，填充所述堡型孔的步驟是通過涂覆所述堡型孔的表面來進行的。
19.一種制造高電容單層陶瓷電容器的方法，包括如下步驟 在坯體狀態的陶瓷介電片的層之間放置兩個或更多個電極，其中所述兩個或更多個電極被具有已知厚度的坯體狀態的介電片分離； 在所述兩個電極之間圍繞所述坯體狀態的陶瓷介電片的周界放置非導電絕緣材料的網狀物； 將所述坯體狀態的陶瓷介電片切割成獨立的陶瓷芯片，從而使每個獨立的陶瓷芯片的所有側面上的所述非導電網狀物暴露； 燒制所述芯片以將所述介電片的層和所述電極與所述金屬化層燒結成在一起。
20.根據權利要求19所述的方法，還包括選擇性地對所有金屬化表面進行電鍍的步驟。
全文摘要
本發明提供了了一種高電容單層陶瓷電容器，其具有陶瓷介電體，包括電連接到應用于側面和頂面或底面的金屬化層的一個或多個內部電極；以及金屬化焊盤，其通過堡體或通孔而與金屬化側面和頂面或底面電隔離，或者被位于電極之間的圍繞陶瓷體的周界的且將頂面和底面分離的介電絕緣帶分離。
文檔編號H01G4/005GK102842422SQ201210208320
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月19日 優先權日2011年6月24日
發明者阿里·穆阿利米, 尤安·帕特里克·阿姆斯特朗 申請人:特拉華資本構造公司