專利名稱：單片陶瓷電子元件和制造其的方法
技術領域：
本發明涉及單片(monolithic)陶瓷電子元件和制造其的方法。具體而言，本發明涉及諸如單片電感器、單片電容器和單片LC復合元件的單片陶瓷電子元件以及制造其的方法。
背景技術：
在傳統的噪音抑制芯片元件中，為了保證在寬頻范圍中較高的阻抗，這樣可以實現噪音減小的效果，例如，元件通過疊置高磁導率的磁性層和低磁導率的磁性層而制造，線圈設置在各層中，并將線圈串聯。
作為這樣的元件的示例，專利文件1公開了一種單片電感器，所述電感器具有這樣的結構其中高磁導率的磁性層和低磁導率的磁性層用其間的非磁性中間層一體層壓。非磁性中間層防止高磁導率的磁性層的材料和低磁導率的磁性層的材料之間的相互擴散，并防止兩個磁性層的磁屬性的惡化。
此外，專利文件2公開了一種單片LC復合元件，所述復合元件具有這樣的結構其中電容部分和線圈部分由不同的介電常數的介電層所形成，所述具有不同的介電常數的介電層被一體層壓。
但是，在其中非磁性中間層被用于專利文件1中的單片電感器的情況下，粘結強度與其中磁性層彼此直接粘接的情況相比變弱。此外，為了獲得滿意的粘結，磁性層和非磁性中間層必須被調整以在烘烤(firing)的過程中具有相同的收縮率，這需要很麻煩的操作和技術。此外，必須制備用于中間層的新材料，這是增加制造成本的因素之一。專利文件2的單片LC復合元件也基本具有相同的問題。
專利文件1日本未審查專利申請出版物No.9-7835。
專利文件2日本未審查專利申請出版物No.6-232005
發明內容
本發明的目的是提供一種單片陶瓷電子元件，所述陶瓷電子元件不需要提供中間層，并且其中介電常數和磁導率受限減小，以及用于制造這樣的單片陶瓷電子元件的方法。
為了實現如上所述的目的，根據本發明的單片陶瓷電子元件包括(a)第一元件部分，包括陶瓷層和內電極的薄片(laminate)；以及(b)第二元件部分，包括陶瓷層和內電極的薄片；(c)其中至少第一元件部分和第二元件部分被層疊以形成陶瓷薄片，第一元件部分的陶瓷層的孔隙度(porosity)與第二元件部分的陶瓷層的孔隙度不同。
例如，第一元件部分包含通過電學連接內電極而形成的第一線圈，第二元件部分包含通過電學連接內電極而形成的第二線圈，第一線圈和第二線圈電學連接以形成電感器。可選地，第一元件部分包括通過電學連接內電極的線圈，第二元件部分包含其中兩個相鄰的電極通過陶瓷層分離的電容器，第二元件部分的陶瓷層的孔隙度小于第一元件部分的陶瓷層的孔隙度，線圈和電容器電學連接以形成LC濾波器。
如果陶瓷層包含較高比率的孔，磁導率和介電常數減小。因此，即使使用相同的材料，通過設置不同的孔隙度，就可以獲得具有不同的磁導率和不同的孔隙度的第一元件部分和第二元件部分。
此外，根據本發明提供了一種用于制造單片陶瓷電子元件的方法，包括(d)疊置陶瓷層和內電極以形成第一元件部分，疊置陶瓷層和內電極以形成第二元件部分，以及疊置至少第一元件部分和第二元件部分以形成陶瓷薄片，(e)其中混合到用于形成第一元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液中的粒狀蒸發孔形成介質的量被設置不同于用于形成第二元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液中的粒狀蒸發孔形成介質的量，這樣第一元件部分和第二元件部分具有不同的陶瓷層孔隙度。
用于形成第一元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液或者用于形成第二元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液可以不混合粒狀蒸發孔形成介質。
根據本發明，通過設置第一元件部分的陶瓷層的孔隙度與第二元件部分的陶瓷層的孔隙度不同，即使第一元件部分的陶瓷層和第二元件部分的陶瓷層由相同的材料所形成，也可以制造具有不同的磁導率和不同的介電常數的第一元件部分和第二元件部分。結果，沒有必要提供中間層，并且相對介電常數和磁導率可以用較高的設計自由度獲得單片陶瓷電子元件。
圖1是根據本發明的第一實施例的單片陶瓷電子元件的組裝視圖；圖2是圖1所示的單片陶瓷電子元件的外觀的透視圖；圖3是圖2所示的單片陶瓷電子元件的一部分的示意放大橫截面視圖；圖4是示意顯示圖2中所示的單片陶瓷電子元件的橫截面視圖；圖5是顯示了圖4所示的單片陶瓷電子元件的頻率特征的圖形；圖6是根據本發明的第三實施例的單片陶瓷電子元件的組裝視圖；圖7示意顯示了圖6中所示的單片陶瓷電子元件的橫截面視圖。
具體實施例方式
根據本發明的單片陶瓷電子元件的實施例和其制造方法將參照附圖進行說明。
(第一實施例，圖1-5)如圖1中所示，單片電感器1包括用于設有線圈可導圖樣5和用于層間連接的通孔6的內層用的低磁導率陶瓷印刷電路基板(green sheet)5，設有用于抽出(extraction)的通孔(via-hole)8的外層用的低磁導率陶瓷印刷電路基板12，用于設有線圈可導圖樣5和用于層間連接的通孔6的內層用的高磁導率陶瓷印刷電路基板13和用于設有用于抽出的通孔8的外層用的高磁導率陶瓷印刷電路基板13。
高磁導率陶瓷印刷電路基板13如下進行制造。鎳、鋅和銅的氧化物的原材料被混合并在800℃煅燒一個小時。被煅燒的混合物用球磨機研磨成粉，接著干化。由此獲得平均微粒尺寸大約為2μm的Ni-Zn-Cu鐵素體原材料(被混合的氧化物粉末)。
接著，溶劑、粘結劑和分散劑被添加到鐵素體原材料，并且執行混合以形成漿液。接著，使用漿液形式的鐵素體原材料，通過刮刀過程(doctorblade process)等來形成具有厚度為40μm的高磁導率陶瓷印刷電路基板13。
另一方面，低磁導率陶瓷印刷電路基板12通過如下進行制造。鎳、鋅和銅的氧化物的原材料被混合并在800℃煅燒一個小時。被煅燒的混合物用球磨機研磨成粉，接著干化。由此獲得平均微粒尺寸大約為2μm的Ni-Zn-Cu鐵素體原材料(被混合的氧化物粉末)。
接著，由商業上可以獲得的球形聚合體所形成的球形蒸發孔形成介質，例如，具有平均微粒尺寸為8μm的球形交聯聚苯乙烯被添加到鐵素體原材料，溶劑、粘結劑和分散劑被進一步增加，接著被混合以形成漿液。在第一實施例中，由Sekisui Plastics Co.，Ltd所制造的TECHPOLYMER(商標)作為蒸發孔形成介質被添加到鐵素體原材料中以實現孔隙度60％。接著，使用漿液形式的鐵素體原材料，具有厚度40μm的低磁導率陶瓷印刷電路基板12通過刮刀過程等來形成。蒸發孔形成介質在后續過程中的烘烤的過程中被燒掉，由此孔被形成。
線圈導電圖樣5由Ag、Pd、Cu、Au或者這些金屬的合金來形成，并通過絲網印刷等來形成。為了形成用于層間互連的通孔6或者用于抽出的通孔8，用作通孔的孔使用激光束等來打開，并且所述孔被填充由Ag、Pd、Cu、Au或者這些金屬的合金所形成的導電膏。
線圈導電圖樣5通過用于層間連接的通孔6電學串聯連接以形成螺旋線圈L。螺旋線圈L的兩端被電學連接到用于抽出的通孔8。
獨立的板12、13被疊置并壓力粘結以產生平行六面體陶瓷薄片20，如圖2所示。陶瓷薄片20在400℃進行3小時的熱處理(粘結劑移除處理)，然后在915℃執行兩個小時的烘烤。由此獲得燒結的陶瓷薄片20。
結果，在通過疊置低磁導率陶瓷印刷電路基板12所形成的低磁導率線圈部分15中，包括電學串聯連接的線圈導電圖樣5的第一線圈La和許多孔32(參看圖3)被形成。孔32的平均尺寸分別是5-20μm，低磁導率線圈部分15孔的體積含量(孔隙度)是30％-80％。低磁導率線圈部分15根據下述公式進行計算，假設孔(空氣)的比重是0g/cm3低磁導率線圈部分15的孔隙度＝{1-(W/V)/G}×100(％)W(烘烤后)只有低磁導率線圈部分15的陶瓷板12的總重V(烘烤后)只有低磁導率線圈部分15的陶瓷板12的體積G鐵素體原材料的理論密度如果孔隙度小于30％，介電常數增加，不可能充分減小介電常數。如果孔隙度超過了80％，在烘烤之后的低磁導率線圈部分15的機械強度減小，這就難于接著執行樹脂填充等，這是不利的。
另一方面，在通過層疊高磁導率陶瓷印刷電路基板13所形成的高磁導率線圈部分16中，包括電學串聯連接的線圈導電圖樣5的第二線圈Lb和較小數目的孔被形成。第二線圈Lb和第一線圈La被電學串聯連接以形成螺旋線圈L。所述孔是通過在漿液形式的鐵素體原材料被制備時所包括的氣泡和粘結劑和分散劑的揮發性成分產生的。但是，形成在高磁導率線圈部分16中的孔的數目較小，并且孔隙度是10％或者更少。高磁導率線圈部分16的孔隙度根據下述公式進行計算高磁導率線圈部分16的孔隙度＝{1-(W1/V1)/G}×100(％)W1(烘烤后)只有高磁導率線圈部分16的陶瓷板13的總重V1(烘烤后)只有高磁導率線圈部分16的陶瓷板13的體積G鐵素體原材料的理論密度此外，形成在低磁導率線圈部分15和高磁導率線圈部分16中的孔包括開口孔和閉合孔。高磁導率線圈部分16必須相對低磁導率線圈部分15具有較高的磁導率。根據單片電感器1的要求，蒸發孔形成介質可以被添加到高磁導率線圈部分16的陶瓷印刷電路基板。
接著，外電極21、22被形成在燒結陶瓷薄片20的兩個端部表面上。外電極21、22通過用于抽出的通孔8電學連接到螺旋線圈L。各外電極21、22的被折疊部分在四個側表面之上延伸。外電極21、22通過鍍層、烘焙等來形成。
接著，燒結陶瓷薄片20被浸入到具有介電常數3.4的環氧樹脂中(可選地在水溶玻璃中)，這樣所述孔被填充環氧樹脂，并且環氧數值薄膜被形成在被燒結的陶瓷薄片20的表面之上。接著，環氧樹脂在150℃-180℃上固化(2小時)。由于外電極21、22的烘烤溫度在大約850℃上較高，優選地外電極21、22在樹脂注入之前被形成。
圖3是顯示了燒結陶瓷薄片20的低磁導率線圈部分15的一部分的放大橫截面視圖。多個孔32被形成在燒結陶瓷薄片20內。所述孔32被填充環氧樹脂33，燒結陶瓷薄片20的表面也覆蓋環氧樹脂33。大約30％-70％體積的孔32被填充樹脂33。即，孔32可以完全填充樹脂33，或者所述孔32可以部分填充樹脂33，在這樣的情況下，孔34被形成在部分填充樹脂33的孔33中。
接著，填充樹脂的燒結陶瓷薄片20進行筒研磨，這樣外電極21、22的金屬表面被更穩定地暴露，電鍍層通過鍍鎳和鍍錫被形成在外電極21、22的表面之上。這樣獲得了圖4中所示的單片電感器1。
在具有如上結構的單片電感器1中，由具有較小數目的孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分16具有較高的磁導率，具有較大數目的孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分15具有較低的磁導率。在第一實施例中，高磁導率線圈部分16具有430的初始磁導率，低磁導率線圈部分15具有133的初始磁導率。
此外，在由具有較小數目孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分16中，磁導率和介電常數較高，在具有較大數目的孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分15中，磁導率和介電常數較低。結果，線圈部分15的第一線圈La的電感低于線圈16中的第二線圈Lb的電感。在線圈部分15中與第一線圈La平行所形成的寄生電容Ca小于在線圈部分16中與第二線圈Lb平行所形成的寄生電容Cb。結果，包含第一線圈La和寄生電容Ca的LC平行諧振電路的諧振頻率，即，Fa＝1/2π(LaCa)1/2高于包含第二線圈Lb和寄生電容Cb的LC平行諧振電路的諧振頻率，即Fb＝1/2π(LbCb)1/2。結果，可以獲得在較寬的范圍中具有較高的阻抗的單片電感器1。
圖5顯示了單片電感器1的阻抗特征的圖形。在圖5中，實線41指示低磁導率線圈部分15的阻抗特征，實線42指示高磁導率線圈部分16的阻抗特征，實線43指示二者的合成阻抗特征。
從圖像中很明顯，可以獲得其中噪音減小效果在高阻抗的較寬范圍之上能夠被實現的單片電感器1。
由于相同的鐵素體材料被用作鐵素體陶瓷材料，低磁導率線圈部分15和高磁導率線圈部分16之間的粘結介面上的粘結強度與包括非磁性中間層的傳統單片電感器相比更強。此外，由于低磁導率線圈部分15的收縮率在烘烤的過程中基本等于高磁導率線圈部分16的收縮率，這就很容易實現滿意的粘結。此外，線圈部分15、16的磁屬性不會由于低磁導率線圈部分15和高磁導率線圈部分16之間的鐵素體陶瓷材料的相互擴散而降低。
單片電感器1是水平纏繞類型電感器，其中陶瓷印刷電路基板12、13的疊置方向平行于陶瓷薄片20的安裝表面并垂直于外電極21、22。具有不同的介電常數的線圈部分15、16在外電極21、22之間串聯設置，寄生電容Ca、Cb主要在相對的外電極21、22之間產生。在第一實施例中，由具有較大數目的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分15的介電常數對由具有較少數目的孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分16的介電常數的比值大約是1/10。由于線圈部分15、16被串聯安置，整個單片電極1的寄生電容被減小，可以提高高頻特性。
此外，如果需要，分別容納在線圈部分15、16中的第一線圈La和第二線圈Lb的纏繞方向可以相反。由此，第一線圈La和第二線圈Lb之間的磁耦合被抑制，通過低磁導率線圈部分15的第一線圈La所獲得的高頻噪音消除效果和通過高磁導率線圈部分16的第二線圈Lb所獲得的低頻噪音消除效果被獨立顯示，這樣使得能夠制造進一步改良的噪音消除效果的單片電感器1。
(第二實施例)第二實施例是具有與第一實施例相同的結構的單片電感器。高磁導率陶瓷印刷電路基板和低磁導率陶瓷印刷電路基板被如同第一實施例使用相同的材料形成并通過相同的過程來形成，除了當高磁導率陶瓷印刷電路基板被形成時孔形成介質與鐵素體材料混合之外，并且高磁導率線圈部分具有孔隙度20％。低磁導率陶瓷印刷電路基板如同第一實施例中那樣形成，低磁導率線圈部分具有孔隙度60％。
根據第二實施例，可以獲得與第一實施例的相同的特征，并且由于孔形成介質混合到高磁導率線圈部分和低磁導率線圈部分中，在兩個線圈部分烘烤的過程中的收縮率彼此靠近，其間的粘結強度大于第一實施例的粘結強度。此外，由于高磁導率線圈部分注入了樹脂，薄片的強度也被增加。
(第三實施例，圖6和7)如圖6中所示，單片LC濾波器51包括線圈部分65和66，和設置在線圈部分65、66之間的電容器部分67。各線圈部分65、66包括設有線圈導電圖樣55和用于層間連接的通孔56的陶瓷印刷電路基板62，以及設有用于抽出的通孔58的陶瓷印刷電路基板62。電容器部分67包括設有電容器導電體59的陶瓷印刷電路基板63和設有電容器導電體60以及用于層間連接的通孔56的陶瓷印刷電路基板63。
陶瓷印刷電路基板63如第一實施例中的陶瓷印刷電路基板13那樣制備，并且詳細的描述將被省略。另一方面，陶瓷印刷電路基板62如第一實施例中的陶瓷印刷電路基板12那樣制備，除了孔形成介質與鐵素體原材料混合之外，這樣孔隙度是80％，并且將省略詳細的說明。
單獨的板62、63被疊置并壓力粘結，并執行烘烤。由此產生如圖7所示的平行六面體燒結陶瓷薄片70。在通過疊置陶瓷印刷電路基板62所形成的線圈部分65、66中，線圈L1和L2(每個包括電學串聯連接的導電圖樣55)和許多孔被形成。
另一方面，在通過疊置陶瓷印刷電路基板63所形成的電容器部分67中，包括相對電容器電極59、60的電容C和較小數目的孔被形成。電容器C和線圈L1和L2被電學連接以形成T型LC濾波器。
接著，外電極71、72、73被形成在燒結陶瓷薄片70的兩個端部表面和中心上。外部電極71、72分別通過用于抽出的通孔58被電學連接到螺旋彈簧L1和L2。
接著，燒結陶瓷薄片70被浸入具有介電常數3.4的環氧樹脂中(可選地在水溶玻璃中)，以注入樹脂。填充樹脂的燒結陶瓷薄片70進行筒研磨，然后電鍍層被形成在外電極71-73的表面上。由此制造單片LC濾波器51。
在具有如上所述結構的單片LC濾波器51中，由具有較小孔的鐵素體陶瓷所形成的電容器部分67具有較高的介電常數和較高的磁導率，由具有較大數目的孔的鐵素體陶瓷所形成的線圈部分65，66具有較小的介電常數和低磁導率。在第三實施例中，電容器部分67具有初始磁導率430和介電常數14.5。線圈部分65和66每個具有初始磁導率65和介電常數4.0。
結果，線圈部分65、66的介電常數可以被減小，形成與每個線圈L1和L2平行的寄生電容可以被減小。結果，可以獲得具有滿意的高頻特性的單片LC濾波器51。如上所述，通過在線圈部分65、66中形成孔，這樣線圈部分65、66的介電常數減小，這就可能使用相同的鐵素體陶瓷材料制造受寄生電容影響減小的單片LC濾波器51。
盡管第三實施例被設計，這樣線圈部分65、66具有較大數目的孔，根據單片LC濾波器51的規定，電容器部分67可以具有較大數目的孔。
(其它實施例)可以理解本發明不限于上述的實施例，并在不背離本發明的精神的情況下可以不同的修改和變化。
例如，本發明的單片陶瓷電子元件可以包括三個或者更多的具有不同的孔隙度的元件部分。單片陶瓷電子元件的示例包括單片阻抗元件、單片LC濾波器、單片電容器和單片變壓器，除了單片電感器之外。單片電容器包括第一元件部分和第二元件部分，第一元件部分通過疊置具有較高的孔隙度的介電陶瓷層(即，具有較低介電常數的介電陶瓷層)所形成，第二元件部分通過疊置具有較低的孔隙度的介電陶瓷層(即，具有較高介電常數的介電陶瓷層)所形成。此外，作為陶瓷材料，諸如磁性陶瓷材料、介電陶瓷材料、半導體陶瓷材料和壓電陶瓷材料的不同功能陶瓷材料可以被使用。
在所述實施例中，單個產品的示例被進行了描述。在大規模制造的情況下，當然，可以使用包含多個單片電感器的母層壓塊來執行所述制造。
此外，當單片陶瓷電子元件被制造時，在設有導電圖樣和通孔的陶瓷板被疊置時，用于一體烘烤被疊置的陶瓷板的方法沒有特別限制。將被使用的陶瓷板可以預先烘烤。可選地，單片陶瓷電子元件可以通過如下所述的方法進行制造。即，陶瓷層可以通過將膏狀的陶瓷材料通過壓印(printing)等的鍍層來形成，然后膏狀的導電材料被施加到陶瓷層上以形成導電圖樣和通孔。此外，膏狀的陶瓷材料被施加以形成陶瓷層。通過這樣順序重復鍍層，可以獲得具有層壓結構的單片陶瓷電子元件。
工業應用性如上所述，本發明在單片陶瓷電子元件中，諸如LC復合元件中是有用的，并且優異之處在于具有不同的介電常數和不同的磁導率的元件部分可以在不提供中間層的情況下用所需的強度彼此粘結。
權利要求
1.一種單片陶瓷電子元件，包括第一元件部分，所述第一元件部分包括陶瓷層和內電極的薄片(laminate)；以及第二元件部分，所述 第二元件部分包括陶瓷層和內電極的薄片；其中至少第一元件部分和第二元件部分被層疊以形成陶瓷薄片，第一元件部分的陶瓷層的孔隙度與第二元件部分的陶瓷層的孔隙度不同。
2.根據權利要求1所述的單片陶瓷電子元件，其特征在于，第一元件部分包含通過電學連接內電極而形成的第一線圈，第二元件部分包含通過電學連接內電極而形成的第二線圈，第一線圈和第二線圈電學連接以形成電感器。
3.根據權利要求1所述的單片陶瓷電子元件，其特征在于，第一元件部分包括通過電學連接內電極所形成的線圈，第二元件部分包含其中兩個相鄰的電極通過陶瓷層分離的電容器，第二元件部分的陶瓷層的孔隙度小于第一元件部分的陶瓷層的孔隙度，線圈和電容器電學連接以形成LC濾波器。
4.根據權利要求1-3任一所述的單片陶瓷電子元件，其特征在于，第一元件部分的陶瓷層和第二元件部分的陶瓷層包括相同的陶瓷材料。
5.一種用于制造單片陶瓷電子元件的方法，包括疊置陶瓷層和內電極以形成第一元件部分；疊置陶瓷層和內電極以形成第二元件部分；以及疊置至少第一元件部分和第二元件部分以形成陶瓷薄片，其中混合到用于形成第一元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液中的粒狀蒸發孔形成介質的量被設置不同于混合到用于形成第二元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液中的粒狀蒸發孔形成介質的量，這樣第一元件部分和第二元件部分具有不同的陶瓷層孔隙度。
6.根據權利要求5所述的制造單片陶瓷電子元件的方法，其特征在于，用于形成第一元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液或者用于形成第二元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液沒有混合粒狀蒸發孔形成介質。
7.根據權利要求5或6所述的制造單片陶瓷電子元件的方法，其特征在于，用于形成第一元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液和用于形成第二元件部分的陶瓷層的陶瓷漿液包括相同的陶瓷材料。
全文摘要
在通過疊置低磁導率的印刷電路基板所形成的低磁導率的線圈部分(15)中，第一線圈(La)和許多孔被形成。另一方面，在通過疊置高磁導率陶瓷印刷電路基板所形成的高磁導率線圈部分(16)中，第二線圈(Lb)和較小數目的孔被形成。第一線圈(La)和第二線圈(Lb)被串聯電學連接以形成螺旋線圈(L)。通過具有較小數目的孔的鐵素體陶瓷所構成的線圈部分(16)具有較高的磁導率和較高的介電常數，由具有較大數目的孔的鐵素體陶瓷所構成的線圈部分(15)具有低磁導率和較低的介電常數。
文檔編號H03H7/075GK1701399SQ200480000759
公開日2005年11月23日 申請日期2004年8月31日 優先權日2003年9月30日
發明者高澤知生 申請人:株式會社村田制作所