專利名稱：具有三維高比表面積電極的電容器和制造方法
具有三維高比表面積電極的電容器和制造方法相關(guān)申請的交叉引用對分別在2009年12月16日和2010年3月15日提交并分配了申請序列號61/287，135 和 61/313，810 的標題均為“THREE DIMENSIONAL CAPACITOR” 的兩個美國臨時申請的每一個都要求按照35U.S.C. § 119(e)的優(yōu)先權(quán)。這些申請的全部內(nèi)容都在此引用作為參考。
背景技術(shù)：
電容器是具有電容即存儲電荷能力的主要電性質(zhì)的任何裝置。在電子學領(lǐng)域中，電容器存儲電荷的能力可用于控制電流的流動。不僅如此，為了過濾電信號的目的在電路中可以采用電容器；例如，在收音機或電視接收機的調(diào)諧電路中可以使用具有可變電容的電容器。變化的電容改變了調(diào)諧器電路的諧振頻率，使得它與期望電臺或頻道的頻率匹配，濾掉一切不需要的頻率的信號。 最簡單的電容器將包括兩塊導電材料板，由絕緣體(也稱為電介質(zhì))將其彼此分開，其中每塊板都連接到某端子。當跨未充電電容器的端子施加電壓時，電荷流向每塊板(正電荷流向陽極板而負電荷流向陰極板)，但是不穿過夾在其間的絕緣體。隨著相反電荷在導電陽極和陰極板上增加，在其間電介質(zhì)上的力也增大，從而引起跨電介質(zhì)的電場增大。這種現(xiàn)象弓I起隨板上電荷按比例升高的電壓。每塊板上電荷大小與板間電勢(電壓)的比值是上述的電容，并且近似于對電容器充電所用的外部施加的電壓源。當這兩個電壓具有相同大小時(電壓源和電容器)，電流便停止流動并且認為該電容器已充電。已充電的電容器隨后被放電，方式為經(jīng)過被施加的電負載而降低外部電壓，從而當產(chǎn)生的電流使電荷快速流出板時導致跨板的電壓降低。有許多類型的電容器，每一種的結(jié)構(gòu)和材料組合都不同，但是以上解釋的物理原理本質(zhì)上對所有類型是相同的。常見的電容器類型采用陶瓷做電介質(zhì)層，并且可以采取或者圓柱結(jié)構(gòu)，其中陶瓷材料的空心圓柱體在其內(nèi)外表面上襯著導電金屬薄膜，或者扁平、平行極板結(jié)構(gòu)，其中多個陶瓷板和導電材料交錯，以創(chuàng)建夾層的“電極-電介質(zhì)-電極”布局。對于由所謂的平行板結(jié)構(gòu)所組成的電容器，制造過程相當簡單。在兩個導電電極層之間夾入一層電介質(zhì)，其中最終平行板電容器的電容是電極板覆蓋面積、電介質(zhì)層厚度和電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。多層陶瓷電容器(MLCC)是具有多個堆疊的“電極-電介質(zhì)-電極”布局(EDE)的平行板電容器，每一個布局都可以形成三層結(jié)構(gòu)。通過許多平行板的并聯(lián)，可以顯著地增加MLCC的電容。非常簡單，更多堆疊的布局增加了電容并形成MLCC。類似地，各個電容器也能夠串聯(lián)連接，本質(zhì)上在更大的表面積上分布以上介紹的MLCC，與更多的頂部空間相反。優(yōu)于高度堆疊的MLCC的串聯(lián)連接的電容器的優(yōu)點在于，本領(lǐng)域公知串聯(lián)布局展現(xiàn)了更好的抗電壓擊穿(隨著給定電容器上電荷和電壓的增加，在某個點電介質(zhì)將不再能夠使電荷彼此隔離，隨后在某些區(qū)域中展現(xiàn)電介質(zhì)擊穿，或高導電性，其趨向于降低存儲的能量和電荷,產(chǎn)生內(nèi)部熱量)。
返回為了制造典型的MLCC所采用的制造方法，可以通過在導電板的交替對之間涂布電介質(zhì)漿料(比如陶瓷基)漿料制造電容器。不過，制造MLCC已經(jīng)廣泛地轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂脤щ娪湍蚝?包括導電材料(比如例如銀)的油墨或糊料)代替板；這種油墨或糊料可以被絲網(wǎng)印刷在先前已涂布在載體聚合物膜上的電介質(zhì)漿料的“生瓷帶(green tape ) ”之上。與以上已經(jīng)所介紹的內(nèi)容一致，許多層交錯的電介質(zhì)帶和電極涂布能夠被堆疊和層壓在一起形成最終的MLCC產(chǎn)品?？蓪崿F(xiàn)具有約500至約1000層的多層陶瓷電容器，其中電介質(zhì)層厚度往往小于約I微米。減小MLCC的層厚度與保留的頂部空間直接相關(guān)，不過，往往受到重視的不是頂部空間。在現(xiàn)實中，容納無源電氣組件(比如MLCC)所要求的整體表面積表示電路中有價值的不動產(chǎn)。使用表面安裝技術(shù)時為了減少無源組件占用的空間，0402尺寸(大約O. 04英寸長大約O. 02英寸寬)成為最流行的勢頭越來越大，甚至0201 (大約O. 02英寸長大約O. 01英 寸寬)也能夠可靠地生產(chǎn)。一般來說，當保持電容不變時，MLCC越小越好。不過，簡單地減少面積占用和增加層數(shù)是有限度的，因為電介質(zhì)和電極層厚度的持續(xù)減小可能產(chǎn)生制造問題。所以，需要提供替代方法使縮小陶瓷電容器的尺寸并增加其電容密度的趨勢延續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在公開的實施例以及其特征和方面針對提供具有由增加電極表面的有效面積引起的改進的電容效率的電容器和制造方法。更確切地說，利用在與電介質(zhì)界面點處具有三維方面的電極層，使得電極的若干部位延伸或突出到所述電介質(zhì)層中，可以構(gòu)造改進的“三維”電容器。有利地，與本領(lǐng)域公知的當前電容器設(shè)計相比時，三維電容器的實施例顯著減小了在電路中容納所述電容器需要的空間占用，因為能夠?qū)崿F(xiàn)電容增加而無須在不斷增長的堆疊中增加附加的“電極-電介質(zhì)-電極”三層布局或把多個電容器串聯(lián)串在一起。值得注意的是，本說明書中介紹的或加入的示范三維電容器一般針對由陶瓷基電介質(zhì)組成的電容器，不過應當理解，本公開不限于包括陶瓷基電介質(zhì)的電容器。也就是說，預期三維電容器的若干特征和方面以及多種制造方法能夠在未必包括陶瓷組件的三維電容器中采用，并且因此，本公開將不被解釋為使得三維電容器的范圍限于陶瓷電容器的領(lǐng)域。代替簡單地堆疊更多的板，電容器的電容效率能夠經(jīng)由修改三維電容器中各個導電板幾何形狀和電介質(zhì)的性質(zhì)而增加。更確切地說，因為通過與電介質(zhì)層接觸的起伏、突出、擴展或其他方面，電極板的表面積可以增大，所以能夠?qū)崿F(xiàn)帶電粒子數(shù)量的增加，從而增加所述三維電容器的電容而不增加電路中容納所述電容器所需要的整體空間占用。附圖簡要說明圖I至圖2共同展示了修改后的制造過程，其可以被用于產(chǎn)生具有EDE三層的三維多層陶瓷電容器。圖3展示了形成三維電容器的一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)由電介質(zhì)微粒上的導電涂層形成。圖4展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE層的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)由混合入被涂布的電介質(zhì)微粒的電介質(zhì)漿料中的金屬顆粒形成。
圖5展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中金屬顆粒被注入到電介質(zhì)生瓷帶中。圖6展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中金屬顆粒被注入到電介質(zhì)生瓷帶中，并且該導體板包括與該電介質(zhì)層鄰近的一層低熔點的電極材料。圖7展示了可以形成三維電容器 的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中涂布金屬的微粒被用于創(chuàng)建導電層，其間夾有電介質(zhì)層。圖8展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中涂布金屬的陶瓷層在電介質(zhì)層與電極層之間形成。圖9展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)從主導電層垂直地突出到電介質(zhì)層中。

圖10展示了可以形成三維電容器的另一個示范實施例的單一 EDE三層的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)從主導電層突出到電介質(zhì)層中。
具體實施例方式現(xiàn)在公開的實施例以及其特征和方面針對提供由增加電極表面的有效面積引起的改進電容效率的電容器和制造方法。更確切地說，利用在與電介質(zhì)界面點處具有三維特征的電極層可以構(gòu)造改進的“三維”電容器。有利地，與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的當前電容器設(shè)計相比時，三維電容器的實施例顯著減小了在電路中容納所述電容器需要的空間占用。能夠?qū)崿F(xiàn)電容密度增加而不一定要求高k (高常數(shù))電介質(zhì)材料，在不斷增長的堆疊中附加的“電極-電介質(zhì)-電極”布局，或把多個電容器串聯(lián)串在一起。本文在陶瓷基電容器的語境中公開了三維電容器的示范實施例，不過，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，三維電容器的各種實施例可以未必包括陶瓷基組件，因此，本公開的范圍將不限于陶瓷基實施例。不僅如此，所公開實施例的電介質(zhì)、陽極和陰極層本文有時可以一般地稱為“板”或“層”。不過，本公開不應當被解釋為使得在三維電容器的全部實施例中導電或電介質(zhì)層都必須是“剛性”或“硬”的板。相反，在正傳達的特定示范實施例語境中所采用的術(shù)語“板”將被理解為包括任何組件層或其創(chuàng)建方法，包括剛性板或從油墨、糊料的涂敷、可變形體的機制等產(chǎn)生的板。也就是說，應當理解，術(shù)語“板”僅僅指三維電容器內(nèi)的特定層，這樣的層僅僅受限于可以相對于與之相關(guān)聯(lián)的示范實施例公開介紹的特征和方面。一般來說，提供本公開中介紹的特定實施例僅僅為了展示目的，而不應當被解釋為限制三維電容器的范圍。不僅如此，雖然三維電容器的各種實施例可以利用不同的組件或材料選擇，但是相對于本公開中展示性實施例介紹的示范材料不意味著在三維電容器內(nèi)可以包括的材料或組件的廣泛列表。用于創(chuàng)建三維電容器的材料，并且特別地，三維電容器的若干特征，比如陽極層、陰極層、端子、導電突出、電介質(zhì)或“生瓷帶”層，根據(jù)實施例有變化，并且盡管也許用于產(chǎn)生一定實施例的新穎特征或方面，但是將不限制本公開的范圍。給定三維電容器的各種組件或特征的材料選擇包括但是不限于對于電極一銀(大約100%的重量百分比)、銀鈀合金(比如大約95%Ag與大約5%鈀的重量百分比)、鈕，以及其他貴金屬，比如但是不限于金、鉬、銥及其合金，以及難熔金屬，比如但是不限于鎢、鑰、鉭、鈮、鉿和錸，以及賤金屬，比如但是不限于鎳、鎳合金、銅和銅合金；對于電介質(zhì)層陶瓷和玻璃陶瓷、涂布貴金屬的陶瓷(比如但是不限于涂銀陶瓷、涂鈀陶瓷、涂銀鈀陶瓷等，以及涂銀的配方鈦酸鋇基電介質(zhì)、涂銀玻璃珠)以及無機氧化物(比如但是不限于氧化鋁和氧化鉭)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，其中全部附圖從始至終相同的引用號表示相同的要素，示范三維電容器和制造方法的各種方面、特征和實施例將更詳細地呈現(xiàn)。通過解釋提供了在附圖和詳細說明中闡述的實例，并且不意味著限制三維電容器的范圍、制造三維電容器的方法或者在三維電容器內(nèi)可以被包括的特定結(jié)構(gòu)材料。從而三維電 容器包括以下實例的在附帶的權(quán)利要求書及其等效內(nèi)容范圍內(nèi)的任何修改和變種，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解。根據(jù)三維電容器的示范實施例，通過在電介質(zhì)層中使用涂金屬的陶瓷顆粒代替無涂層的陶瓷顆粒，能夠使用修改后的制造過程創(chuàng)建三維電容器的實施例。涂層電介質(zhì)材料選擇可以與改進的制造方法合并以便實施三維電容器的實施例。三維電容器的某些實施例包括多層陶瓷電容器(MLCC)等，所以應當理解，在本公開中介紹和描述的三維電容器的許多實施例意在僅僅表不單一“電極-電介質(zhì)-電極”布局(EDE)，它可以表示MLCC內(nèi)的單一三層。圖I至圖2共同展示了可以用于產(chǎn)生具有根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的EDE三層的MLCC的一個示范制造過程100。參考圖1，在MLCC的制造過程中，陶瓷粉末205被混入(步驟105)載體中以形成陶瓷漿料210，載體比如但是不限于可以包含溶劑、聚合體樹脂和添加劑(比如分散劑)的化合物。陶瓷漿料210用于在過程的流延成型步驟110中成型“生瓷帶”215。生瓷帶215已經(jīng)由陶瓷粉漿料制成后，將最終用作電容器的電介質(zhì)層。盡管以上介紹的示范生瓷帶由陶瓷漿料形成，但是應當理解，本發(fā)明的實施例可以包括除陶瓷以外或作為其補充的材料所制成的生瓷帶組件，比如但是不限于配方鈦酸鋇基電介質(zhì)、玻璃陶瓷(比如但是不限于低溫共燒陶瓷中所用的Ca-B-Si-O系玻璃陶瓷和高溫共燒陶瓷中所用的氧化鋁玻璃陶瓷)、以及各種涂金屬陶瓷以及無機氧化物和化合物。用于涂布和混合的金屬能夠包括但是不限于銀鈀合金(比如按銀鈀重量成分的百分比在大約95%Ag和大約5%Pd的范圍，更優(yōu)選情況下大約90%Ag和大約10%Pd，以及最優(yōu)選情況下大約70%Ag和大約30%Pd)以及鈀、鈀合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金和其他貴金屬及其相應的合金，比如銥、銠、釕，以及賤金屬，比如但是不限于銅、鎳、鐵、鈷、猛、鈦、鋅，以及難熔金屬，比如但是不限于鎢、鑰、鋯、鉭和鈮。使用機械輥子還可以制作生瓷帶的表面紋理。例如，在生瓷帶的頂部滾動后，就可以將輥子上的紋理傳遞到生瓷帶上。一旦成型，之后生瓷帶215便在示范過程中前進，在步驟120進行絲網(wǎng)印刷。在步驟120的絲網(wǎng)印刷之前，電極金屬粉末220與載體化合物混合(步驟115)以形成電極油墨225。電極油墨225被絲網(wǎng)印刷(步驟120)在生瓷帶215上，以形成最終MLCC的單一電介質(zhì)-導電體雙層。隨著步驟105到120的重復，在步驟125堆疊多個絲網(wǎng)印刷的生瓷帶薄片230，每片都包括單一電介質(zhì)-導電雙層，使得經(jīng)由絲網(wǎng)印刷的導電層與隨后薄片的生瓷帶底面的重復并置而創(chuàng)建EDE三層。從步驟125產(chǎn)生的堆疊在層壓過程中在步驟130被層壓在一起。然后在步驟135將所得到的層壓的堆疊235轉(zhuǎn)換為由多個交錯EDE三層組成的各個生瓷芯片(ceramic green chip) 240。
在圖2中，過程100繼續(xù)，其中在步驟140各個生瓷芯片240被暴露于燒制過程。在燒制過程(步驟140)中，生瓷芯片240可以被送過帶式爐等，使前述漿料中的有機物被除去，從而將生瓷芯片240燒結(jié)為由EDE三層組成的陶瓷電容器芯片245。在步驟150，燒結(jié)的陶瓷電容器芯片245然后可以通過浸入從導電金屬粉255混合(步驟145)的端接油墨250中在兩端都敷金屬。端接敷金屬在交替導電極板(陽極到陽極以及陰極到陰極)之間以及用于電路板應用的電氣接觸點之間提供了內(nèi)部連接。端接的芯片260然后在端接燒制過程的步驟155中被再次干燥和燒制以變成MLCC265。最后，在步驟160，在電鍍過程中可以對MLCC 265應用鍍錫，以便保護端接敷金屬并提供焊接便利。正如本制造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知，MLCC 265然后可以在步驟165經(jīng)歷測試過程，以便先進行質(zhì)量控制再使用在電路中(步驟170)。與獨特組件選擇相結(jié)合的修改的制造過程通過使用涂金屬的陶瓷顆粒代替以上介紹的示范無涂層陶瓷粉末205，修改后的 陶瓷電容器制造過程100可以用于創(chuàng)建三維電容器實施例。在三維MLCC的各種實施例中，利用了涂金屬的陶瓷粉末，特征是連續(xù)的微粒涂層，比如但是不限于涂銀電介質(zhì)。正如本文所述，涂銀玻璃珠可購自羅得島州Woonsocket的Technic公司和賓夕法尼亞州Malvern的Potters Industries公司。典型情況下，涂金屬陶瓷粉末的金屬涂層與可以用于創(chuàng)建電極層的導電粉末一致，比如但是不限于，在貴金屬MLCC情況下的銀或銀鈀合金，以及在賤金屬MLCC情況下的鎳或鎳合金。在其他實施例中，能夠使用具有不一致、有缺陷涂層的涂金屬陶瓷粉末。不僅如此，盡管在粉末被加入到給定三維電容器實施例以前，在某些涂金屬陶瓷粉末中微粒涂層本質(zhì)上一致，但是在涂層連續(xù)性方面的缺陷在將涂金屬陶瓷微粒混入糊料中的過程期間可能發(fā)生。無論有涂層的微粒是有連續(xù)的、一致的涂層還是不一致的缺陷涂層的特征，有涂層的微粒都可以用于高效地形成三維電容器實施例的電介質(zhì)層。有利地，因為金屬涂層與陶瓷微?；字g的固有表面張力，作為暴露于燒結(jié)溫度的結(jié)果，可能出現(xiàn)金屬涂層的不連續(xù)。本領(lǐng)域的普通人員將理解，涂金屬的微粒暴露于給定燒結(jié)溫度可能導致金屬涂層從微粒中流動并在鄰近微粒之間的空隙聚集。已經(jīng)從電介質(zhì)微粒表面流動的金屬涂層的聚集結(jié)果可以沉淀到并列的電介質(zhì)微粒之間的空洞中，并且同時接觸MLCC內(nèi)的陽極或陰極層，從而有效產(chǎn)生了陽極或陰極層的導電擴展，基本上從電極層垂直地突出到電介質(zhì)層中。值得注意并且有利地，聚集的金屬涂層的多個突出用于增加MLCC的電容密度而沒有擴大MLCC的整體空間占用，由于增加表面積可歸因于導電層。由金屬涂層的某些聚集可以產(chǎn)生的突出厚度，在燒結(jié)之后被認為在整個顆粒厚度的1%與90%之間，范圍在O. 001微米與10微米之間。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，能夠改變(leverage)各種制造和材料參數(shù)以便控制導電涂層從涂層電介質(zhì)微粒的流動和聚集，所以，即使特定的過程參數(shù)設(shè)置組合或材料特征可能是新穎的，或者呈現(xiàn)了新穎的結(jié)果，過程參數(shù)設(shè)置或材料特征的變化將不限制本公開的范圍?？梢员桓淖円杂绊懡饘偻繉訌耐拷饘傥⒘５牧鲃雍途奂闹圃靺?shù)和材料特征包括但是不限于，金屬涂層百分比、電介質(zhì)層的厚度、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間。三維電容器的某些實施例可以改變由核殼陶瓷顆粒組成的電介質(zhì)材料選擇。核殼陶瓷顆粒中的核可以具有BaTi03的成分，而殼可以富有摻雜劑以便修改電容的溫度系數(shù)。成分分布(核殼結(jié)構(gòu))可以在需要的溫度范圍內(nèi)提供一致的介電常數(shù)。圖3展示了可以形成三維電容器的一個示范實施例的單一 EDE三層300的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)(突出)從電介質(zhì)微粒上的導電涂層形成。電介質(zhì)層305可以包括例如涂金屬的陶瓷顆粒315，其中陶瓷微粒上的導電金屬涂層可以包括但是不限于銀鈀合金、鈀、鈀合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金等。作為可以在電介質(zhì)微粒上包括銀鈀涂層的實施例的非限制實例，銀鈀涂層重量成分的百分比可以在大約95%Ag和大約5%Pd的范圍，更優(yōu)選情況下大約90%Ag和大約10%Pd以及最優(yōu)選情況下大約70%Ag和大約30%Pd。在某些實施例中使用的電介質(zhì)微粒上的導電金屬涂層可以包括其他貴金屬及其相應的合金，比如但是不限于銥、銠和釕。此外，某些實施例可以包括的微粒具有包含賤金屬的金屬涂層，比如但是不限于銅、鎳、鐵、鈷、錳、鈦、鋅。另外，預想了再其他的實施例可以包括涂有難熔金屬的電介質(zhì)微粒，比如但是不限于鎢、鑰、鋯、鉭和鈮。不僅如此，盡管示范電介質(zhì)層305被介紹為由有涂層的陶瓷微粒組成，但是也預想了層305中有涂層顆粒的電介質(zhì)部分可以由陶瓷以外的電介質(zhì)物質(zhì)組成，比如但是不限 于陶瓷和玻璃陶瓷、涂貴金屬的陶瓷(比如但是不限于涂銀陶瓷、涂鈀陶瓷、涂銀鈀陶瓷等，以及涂銀配方鈦酸鋇基電介質(zhì)、涂銀玻璃珠)以及無機氧化物(比如但是不限于氧化鋁和氧化鉭)。同樣，雖然陶瓷顆粒315上的金屬涂層320在創(chuàng)建電介質(zhì)生薄片以前可能基本上均勻(未顯示)，但是有利地，金屬涂層320在燒結(jié)之后變得不連續(xù)。電介質(zhì)層305被描述為位于兩個電極板310A、310C之間的整個陶瓷顆粒層315。值得注意的是，雖然板310A在圖3展示中已經(jīng)被指定為表示陽極板，而板310C為陰極板，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，任一導電極板310都可以在應用可能需要時用作充電電容器中的陽極或陰極。典型情況下，電介質(zhì)層305的陶瓷顆粒尺寸范圍從大約O. 01至大約10微米，但是其他電介質(zhì)顆粒尺寸范圍也是可能的，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解。正如以上解釋，在陶瓷芯片燒結(jié)后金屬涂層320中的不連續(xù)性主要是由于涂層電介質(zhì)顆粒315的不同材料之間的表面張力，比如但是不限于金屬和陶瓷。一般來說，在達到了燒結(jié)溫度后，溫度使金屬涂層320流動并聚集到電介質(zhì)陶瓷顆粒315之間的空腔325中。有利地，從熔化的微粒涂層得到的聚集金屬320將冷卻以形成多個三維結(jié)構(gòu)或突出320，從陽極310A或者陰極310C板基本上垂直向下穿過電介質(zhì)層延伸或突出。由導電材料組成的三維結(jié)構(gòu)320中，許多都可以形成與EDE三層300的陽極310A或者陰極310C板的界面結(jié)構(gòu)330。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，可歸因于導電極板310A、310C的整個表面積可以有效地增大，而電介質(zhì)材料全部散布在電介質(zhì)微粒315之間，從而增大了電容器300的整體電容密度。作為電容密度增大的非限制實例，三維電容器的實施例已經(jīng)被估計為具有增大的容量密度，高于傳統(tǒng)的電容器設(shè)計大約十(10)倍至大約一千(1000)倍之間不等。即使這樣，容量密度增大的以上范圍僅僅為了示范目的提供，而將不會是本公開范圍的限制因素。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，有利地，與在電路中需要等效或幾乎等效的空間占用的其他電容設(shè)計相比，給定三維電容器的實施例可以具有增大的容量密度。重要的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，預想了基本上垂直于電介質(zhì)層305和導電層310以外的角度，作為電介質(zhì)微粒涂層315聚集的結(jié)果，因此，三維結(jié)構(gòu)330基本上垂直于各種層的以上描述將不限制三維電容器300的范圍。所形成的三維結(jié)構(gòu)315、320都增大了可歸因于給定導電板的整體表面積，并且本質(zhì)上同樣形成了給定EDE三層300之內(nèi)的多個小的微電容器的三層布局。為了創(chuàng)建三維電容器315，比如以上介紹的示范實施例，適于在電介質(zhì)層305中使用的涂金屬陶瓷粉末能夠商業(yè)地生產(chǎn)。創(chuàng)新的電容器結(jié)構(gòu)可以包括各種電介質(zhì)微粒材料和涂層組合，盡管一定的組合可以優(yōu)于其他組合。不僅如此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識至IJ，多個參數(shù)可以用于控制三維電容器中的三維結(jié)構(gòu)的若干方面和特征，比如但是不限于金屬涂層百分比的選擇、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間。圖4展示了形成三維電容器的一個示范實施例的單一 EDE層400的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)由混合入電介質(zhì)顆粒或被涂布電介質(zhì)顆粒的電介質(zhì)漿料中的金屬微粒421形成。與以上介紹的過程100的步驟120 —致，電極板410A、410C被印刷在生瓷帶215、405上，其中生瓷帶215、405不是由純電介質(zhì)漿料210制成，而是由金屬微粒421與電介質(zhì)顆粒或涂金屬的電介質(zhì)微粒415的混合物制成。正如以上關(guān)于圖3實施例的介紹，預想了涂金屬的電介質(zhì)微?？梢杂蓪щ娡繉雍碗娊橘|(zhì)微粒的任何組合構(gòu)成，因此應當理解，本文提供的特 定微粒和導電涂層材料選擇和組合是為了展示目的，將不限制本公開的范圍。同樣，預想了金屬微粒421可以由任何適合的導電材料組成，包括但是不限于銀、銀鈀合金、鎳、鎳合金、銅、銅合金等。作為與金屬微粒421機械混合的結(jié)果，電介質(zhì)微粒415的金屬涂層可以不連續(xù)，不過在燒結(jié)后，該涂層一般將流動和聚集，使得基本上垂直于電介質(zhì)層地形成三維結(jié)構(gòu)或突出420，某些形成在與頂電極的界面430A上，而某些形成在界面430B上并被連接到底電極，其中到處都聚集著金屬微粒421。圖3展示的三維電容器層的制造實質(zhì)上等效于關(guān)于過程100的介紹。同樣為了制造圖3展示的示范實施例的三維電容器，通常對連同圖I至圖2介紹的制造過程進行若干修改。尤其在步驟105，如果在MLCC生產(chǎn)中使用涂金屬的電介質(zhì)315代替陶瓷電介質(zhì)粉末205，則最終的三維電容器將具有與圖3實施例類似的結(jié)構(gòu)。同樣，如果插入導電微粒421與電介質(zhì)顆?；蛴型繉与娊橘|(zhì)微粒415的機械混合物代替粉末205，所得到的三維電容器將具有與圖4實施例類似的結(jié)構(gòu)。獨特組件詵擇和附加制造步驟通過加入附加制造步驟以容納各種新穎的組件選擇，獨特的陶瓷電容器制造過程100可以用于創(chuàng)建三維電容器。圖5展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層500的剖面圖，其中金屬顆粒521被注入到電介質(zhì)生瓷帶215、505中。包含細微粒的金屬粉末可以制成漿料并且涂敷到關(guān)于過程100介紹的電介質(zhì)生瓷帶215的表面，迫使金屬顆粒521進入到電介質(zhì)微粒515之間的空隙。類似于關(guān)于圖3和圖4實施例已經(jīng)介紹的，預想金屬微粒521可以由任何適合的導電材料組成，包括但是不限于銀、銀鈀合金、鎳、鎳合金、銅、銅合金等。因此應當理解，金屬微粒材料選擇對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是容易想到的并且將不限制本公開的范圍。實質(zhì)上，細顆粒金屬漿料的涂敷使金屬顆粒521穿透電介質(zhì)帶215、505的“微孔”，從而潛在地聚集以創(chuàng)建突出522，它們形成與極板510A、510C的界面530。有利地，任何界面突出522都可以用于有效地增大可歸因于導電板510A、510C的表面積。返回參考過程100，在步驟110后、絲網(wǎng)印刷步驟120前可以添加附加步驟，使得在電極絲網(wǎng)印刷步驟120中印刷電極油墨510A、510B前，能夠向電介質(zhì)帶215涂敷包含合適細小尺寸金屬微粒521的漿料沉積。圖6展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層600的剖面圖，其中金屬顆粒621被注入到電介質(zhì)生瓷帶215、605中，并且該導體板包括與電介質(zhì)層605鄰近的一層低熔點的電極材料。類似于圖5的實施例，圖6展示了通過鄰近電介質(zhì)層605的低熔點金屬導體611A、611C的擴散(低熔點是相對于主導體板610A、610C所用材料的熔點)，所形成的電極結(jié)構(gòu)。例如，在大約95%Ag/5%Pd (銀/鈀合金)的上電極層610A、610C之下使用100%的銀電極611A、611C，可以增加在燒結(jié)步驟140期間流入到電介質(zhì)微粒615之間空洞中的金屬，從而創(chuàng)建與可選的注入金屬微粒621相關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)或突出622。值得注意的是，雖然圖6展示描繪了低熔點導體層611A、611C和注入的金屬微粒621都包括的實施例，但是應當理解，類似的實施例可以不包括注入的微粒621，因為低熔點材料在燒結(jié)時流入到電介質(zhì)微粒615之間的空隙時，可以適宜地產(chǎn)生導電突出。 類似于關(guān)于圖3和圖4實施例已經(jīng)介紹的，預想金屬微粒621可以由任何適宜的導電材料組成，包括但是不限于銀、銀鈀合金、鎳、鎳合金、銅、銅合金等。因此應當理解，金屬微粒材料選擇對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是容易想到的并且將不限制本公開的范圍。重要的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將認識到，類似于示范的圖6實施例的實施例可以要求低熔點導體層被放置在主導體之上，使得主導體與電介質(zhì)并列。返回參考過程100，在絲網(wǎng)印刷步驟120內(nèi)可以添加附加步驟，使得低熔點電極糊料在同一步驟中印刷，但是先于主電極610的印刷。關(guān)于圖3至圖6已經(jīng)介紹和描述的三維電容器的示范實施例利用了主要由導電微?；騽傂园褰M成的電極層，比如但是不限于銀、銀鈀合金、鎳、鎳合金、銅或銅合金。不過，三維電容器的其他實施例利用包括涂金屬的非導電材料的陽極層和陰極層，比如但是不限于涂銀陶瓷微?；?qū)щ娡繉雍头菍щ姴牧系娜魏谓M合。不僅如此，在對于三維電容器導電層采用涂金屬的非導電材料的這樣的實施例中，可歸因于非導電材料的導電層，或者作為替代，導電涂層中的特定重量百分比可以根據(jù)實施例變化并且其范圍能夠從大約1%到大約90%。有利地，這樣的實施例除了提供三維結(jié)構(gòu)的各種益處外，還可以實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)電容器布局的成本節(jié)省。圖7展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層700的剖面圖，其中涂布金屬的微粒720被用于創(chuàng)建導電層710A、710C，其間夾有電介質(zhì)層705。在示范的圖7實施例中，在絲網(wǎng)印刷步驟120涂敷在生瓷帶705上的電極油墨225可以包括導電涂層微粒，比如但是不限于涂金屬的陶瓷粉末以及本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易想到的任何其他微粒與涂層組合。有利地，在步驟140暴露于燒結(jié)溫度時，由電極層710中的熔化的微粒涂層的聚集產(chǎn)生三維金屬網(wǎng)絡(luò)720時，功能電極層710由油墨形成。重要的是，在某些實施例中，電極層710中的三維金屬網(wǎng)絡(luò)720也可以通過機械地混合電極與電介質(zhì)實現(xiàn)。圖8展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層800的剖面圖，其中涂金屬的陶瓷層811A、811C在電介質(zhì)層805與電極層810A、810C之間形成。在這個示范實施例中電介質(zhì)層805可以由電介質(zhì)材料形成，比如例如標準的無涂層陶瓷。涂金屬的陶瓷層811形成網(wǎng)絡(luò)820，并且被電氣連接到相應的電極層810。類似于關(guān)于圖6的三維電容器實施例所介紹的低熔點導電層，涂金屬的陶瓷層811能夠在步驟120使用包含涂金屬陶瓷顆粒的油墨印刷，再印刷標準的電極810A、810C (作為替代，在某些實施例中有可能在涂金屬的陶瓷微粒層之前印刷標準的電極層)。在圖3至圖8已經(jīng)介紹和描述的三維電容器的示范實施例，是由電介質(zhì)微粒上導電涂層的受控流動和/或?qū)щ婎w粒的注入所形成的實施例。具有機械轉(zhuǎn)換步驟和/或預設(shè)計板幾何結(jié)構(gòu)的制造過程利用設(shè)計的導體/電介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)和/或機械轉(zhuǎn)換技術(shù)，三維電容器的某些實施例具有基本上垂直于電介質(zhì)層定位的三維結(jié) 構(gòu)。圖9展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層900的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)(即突出)920從陽極910A和陰極910C層垂直地突出到電介質(zhì)905中。兩個電極910由電介質(zhì)層905分開。在不范的圖9實施例中電介質(zhì)層905可以由常規(guī)的電介質(zhì)材料形成，比如但是不限于標準的無涂層陶瓷，不過，預想在多個實施例中可以使用類似于以上介紹的有涂層微粒。通過本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的任何適宜的機械設(shè)備或鉆孔方法，在電介質(zhì)905中創(chuàng)建容納電極突出920的“縫隙”或“鉆孔”。然后通過以導電材料填充縫隙，創(chuàng)建基本上垂直的三維電極延伸或手指狀突出920。電極突出920在連接到其相應的電極910A、910C后，在主電容器900內(nèi)陽極和陰極突出920對之間的堆疊區(qū)域921創(chuàng)建附加的電容器布局。與以上介紹的實施例一致，電極延伸920連同主電極板910作用以增大電極層的有效表面積，從而改進包括這樣的三層900的電容器的電容密度。在圖9中，縫隙和對應的電極突出920被描繪為垂直于橫斷面。不過應當理解，突出920可以平行于橫斷面以便利用邊緣敷金屬和端接技術(shù)提供電氣連接到主導體板之一的電極延伸920，即使未顯示這樣的設(shè)計。適于創(chuàng)建縫隙的方法可以包括但是不限于激光鉆孔、機械沖孔等。適于充填這些縫隙以創(chuàng)建電極突出的方法可以包括但是不限于在電介質(zhì)帶上印刷電極油墨以填充縫隙，或者印刷電介質(zhì)油墨以填充變更的縫隙，以便使給定電極920與給定導體層910隔離。預想經(jīng)由用照相平版印刷技術(shù)或壓印印刷技術(shù)也能夠完成該圖案模式。為了產(chǎn)生三維電容器實施例的在電介質(zhì)中改變孔的其他方法是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易想到的，因此，附圖中描繪的和本文介紹的特定示范實施例將不限制本公開的范圍，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解。關(guān)于圖9中描述的示范實施例以及類似的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當顯而易見，圖案密度因此電容受限于形成縫隙的機械裝置以及填充縫隙的印刷裝置的分辨率。圖10展示了可以形成三維電容器的示范實施例的單一 EDE三層1000的剖面圖，其中三維結(jié)構(gòu)(或突出)1020從主導體層突出到電介質(zhì)層1005中。類似于先前介紹的實施例，有利地，圖10的示范實施例通過增加耦接到電介質(zhì)1005的陽極和陰極的表面積，增大電容密度。電極結(jié)構(gòu)1020可以通過圖案技術(shù)形成，比如但是不限于壓印印刷、模塑等。也就是說，在示范過程100的步驟120的絲網(wǎng)印刷電極層1010以前，通過將帶齒的沖模應用(比如沖壓)到電介質(zhì)生瓷帶215，可以在修改的生瓷帶組件中創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)1020。在示范的圖10實施例中，電介質(zhì)層1005可以由常規(guī)的電介質(zhì)材料形成，比如標準的無涂層陶瓷，但是不要求在所有實施例中都這樣。在絲網(wǎng)印刷修改的生瓷帶時，電極1010獲得可歸因于示范齒狀壓印的突出1020，壓印產(chǎn)生自生瓷帶沖壓或模塑為修改的電介質(zhì)層1005。突出1020可以用作擴展的電極以便有效地創(chuàng)建主電容器1000內(nèi)用于收集電荷的附加表面積。為了制造圖10的示范實施例和類似的實施例，對制造過程100的修改可以包括在“帶成型”步驟110之后或期間，向電介質(zhì)帶添加紋理。值得注意的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，對于突出1020的圖案，在三維電容器的類似實施例中能夠使用不同于所展示的圖案。在本說明書中介紹的過程或流程中的某些步驟，必須自然地先于其他步驟，以使得給定的三維電容器實施例起到所介紹的作用。不過，三維電容器的制造不限于所介紹的步驟次序，如果這樣的次序或順序不改變從其產(chǎn)生的三維電容器的功能。也就是說，應當認識到，某些步驟可以在其他步驟之前、之后或與其并行執(zhí)行，而不脫離本公開的范圍和實質(zhì)。在某些事例中，能夠刪除或不執(zhí)行某些步驟而不脫離本發(fā)明。
以上介紹的三維電容器可以包括大約I到大約1000層，優(yōu)選情況下，大約300至大約500層，其中電介質(zhì)層厚度往往從大約I至大約50微米。僅僅采用單層電介質(zhì)時，就形成單層電容器，往往在低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)中的無源集成中見到。三維電容器還可以包括小至0402尺寸(大約O. 04英寸長大約O. 02英寸寬)甚至0201尺寸(大約O. 02英寸長大約O. 01英寸寬)。以上介紹的示范三維電容器實施例采用了所謂“帶過程”(如圖I至圖2所示)。不過，預想三維電容器實施例還可以使用所謂的“濕過程”制作，其中電介質(zhì)層實際上使用電介質(zhì)衆(zhòng)料印刷。已經(jīng)使用三維電容器及其制造方法實施例的詳細說明對其進行了介紹，這些實施例作為實例提供而不試圖限制本公開的范圍。所介紹的實施例包括不同特征，并非它們都在三維電容器的一切實施例中需要。三維電容器的某些實施例采用了僅僅某些特征或所述特征的若干可能組合。三維電容器及其制造方法實施例的變化被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解。預想這里在MLCC語境中本文公開的系統(tǒng)、設(shè)備、方法和布局或者其特征或方面能夠用于其他相關(guān)的或類似的應用，比如但是不限于用于嵌入無源組件應用的陶瓷和塑料聚合物基底。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，所公開的實施例或其變化能夠加入到低溫共燒陶瓷(LTCC)應用、高溫共燒陶瓷(HTCC)應用、厚膜混合電路和印刷電路板(PCB)等應用中。另外，預想所公開的實施例或其變化能夠采用在超級電容器或超級電容器應用中，因為有利地，三維電容器中的電極突出產(chǎn)生在超級電容器或超級電容器應用中可能期望的電極表面積的增大。
權(quán)利要求
1.一種具有增大的電容密度的電容器，所述電容器包括 陽極電極層； 電介質(zhì)層；以及 陰極電極層； 其中，陽極和陰極層至少其一包括進入所述電介質(zhì)層的一個或多個突出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的電容器，其中，陽極和陰極層至少其一包括第一導體層和第二導體層，所述第二導體層包括具有的熔點低于所述第一導體層的導電材料的導電材料，以及所述一個或多個突出由所述第二導體層的導電材料創(chuàng)建。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的電容器，其中，電介質(zhì)顆粒初始地涂布著導電材料，以及所述一個或多個突出由導電涂層材料創(chuàng)建。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電容器，其中，所述導電涂層材料選自由以下項構(gòu)成的組銀、銀IE合金、鎳、鎳合金、鈕、IE合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金、銥、錯、釕、銅、鎳、鐵、鉆、猛、欽、鋒、鶴、鑰、錯、組和銀O
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電容器，其中，陽極或陰極層包括選自由以下項構(gòu)成的組的材料銀、銀IE合金、鎳、鎳合金 合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金、銥、錯、釕、銅、鎳、鐵、鉆、猛、欽、鋒、鶴、鑰、錯、組和銀。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的電容器，其中，所述電介質(zhì)層包括選自由以下項構(gòu)成的組的材料陶瓷、玻璃陶瓷、涂銀陶瓷、涂鈀陶瓷、涂銀鈀陶瓷、涂銀配方鈦酸鋇基電介質(zhì)、涂銀玻璃珠、氧化招和氧化鉭。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的電容器，其中，所述電介質(zhì)層進一步包括導電顆粒，以及所述一個或多個突出通過所述導電涂層材料與所述導電顆粒的組合創(chuàng)建。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的電容器，其中，陽極和陰極層至少其一包括第一導體層和第二導體層，所述第二導體層由具有的熔點低于所述第一導體層的導電材料的導電材料構(gòu)成，以及所述一個或多個突出通過所述導電涂層材料與第二導體層材料的組合創(chuàng)建。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的電容器，其中，所述電介質(zhì)層進一步包括導電顆粒，以及所述一個或多個突出由所述導電顆粒創(chuàng)建。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的電容器，其中，陽極和陰極層至少其一包括具有導電涂層的電介質(zhì)顆粒，使得所述顆粒的導電涂層用于形成適于收集電荷的導電網(wǎng)絡(luò)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電容器，其中，所述導電網(wǎng)絡(luò)是陽極和陰極層的所述至少其一的第一導電層，其進一步包括同質(zhì)導電材料的第二導電層。
12.—種具有增大的電容密度的電容器，所述電容器包括 陽極電極層； 電介質(zhì)層；以及 陰極電極層； 其中，所述電介質(zhì)層以機械方式被改變以在所述電介質(zhì)層內(nèi)提供容納導電材料的突出的空間；以及 所述導電材料與所述陽極電極層或者所述陰極電極層電氣連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中，所述電介質(zhì)層的機械改變利用鉆孔技術(shù)完成，使得所述突出包括穿透入所述電介質(zhì)層的手指狀凸起。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中，所述電介質(zhì)層的機械改變通過模塑所述電介質(zhì)層完成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中，所述電介質(zhì)層的機械改變通過用沖模沖壓所述電介質(zhì)層完成。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中，導電涂層材料選自由以下項構(gòu)成的組銀、銀鈀合金、鎳、鎳合金、HE合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金、銥、錯、釕、銅、鎳、鐵、鈷、猛、欽、鋒、鶴、鑰、錯、組和銀O
17.一種用于制造具有增大的電容密度的電容器的方法，所述方法包括以下步驟 把包括電介質(zhì)顆粒的粉末混合為電介質(zhì)漿料，其中，所述電介質(zhì)顆粒涂布有導電涂層； 由所述電介質(zhì)衆(zhòng)料成型電介質(zhì)帶； 在所述電介質(zhì)帶上涂敷油墨層以創(chuàng)建印刷的生薄片，所述油墨包括導電顆粒，其用于形成電極層； 堆疊多個印刷的生薄片，使得至少一個薄片的電極層與相鄰薄片的電介質(zhì)帶層并列；以及 燒結(jié)所堆疊的印刷的生薄片，使得所述電介質(zhì)顆粒上的所述導電涂層聚集到所述電介質(zhì)顆粒之間的空隙中，其中，所述導電涂層的聚集的至少一個事例與電極層電氣連通。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，被混合以形成所述電介質(zhì)漿料的所述粉末進一步包括導電微粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述導電微粒包括選自有以下項構(gòu)成的組的材料銀、銀IE合金、鎳、鎳合金 合金、鉬、鉬合金、銀、銀合金、金、金合金、銥、錯、釕、銅、鎳、鐵、鉆、猛、欽、鋒、鶴、鑰、錯、組和銀。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進一步包括以下步驟 在形成所述電極層時在所述電介質(zhì)帶上涂敷第二導電油墨層，其中，第二油墨層包括導電材料，其具有的熔點低于第一導電油墨層內(nèi)包括的材料的熔點。
全文摘要
公開了由增加電極表面的有效面積引起的具有改進的電容效率的電容器及其制造方法。利用在與電介質(zhì)界面點處具有三維方面的電極層，使得所述電極的若干部位延伸或突出到所述電介質(zhì)層中，可以構(gòu)造改進的“三維”電容器。有利地，與當前電容器設(shè)計相比時，三維電容器的實施例顯著減小了電路中容納所述電容器需要的空間占用。可以實現(xiàn)電容密度增加而無須使用高k(高常數(shù))電介質(zhì)材料、在不斷增長的疊層中附加的“電極-電介質(zhì)-電極”布局或把多個電容器串聯(lián)串在一起。
文檔編號H01G4/30GK102906835SQ201080056931
公開日2013年1月30日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者柴良, A·拉伊, J·威爾遜 申請人:艾普瑞特材料技術(shù)有限責任公司