专利名称：用于形成陶瓷薄膜电容器的方法
技术领域：
本发明一般来讲涉及在铜箔上创建陶瓷介质薄膜电容器的管线式(inline)方法。
背景技术：
电容器(夹在两个导体之间的介电材料)表示一个电子元件，其在最近已经被显著地缩小。然而，当前实践依赖于将每一电容器安装和焊接到电路板的表面上。例如，典型的蜂窝式电话包含通过多于400个焊点连接到印刷电路板(PCB)的多于200个的表面安装的电容器。在电路板制造期间在电路板中集成或者嵌入电容器的能力往往提供比表面安装的电容器显著得多的空间和成本节省，并且已经为之作出许多尝试。已经提出了最新的现有技术，在将被稍后嵌入到PCB里的独立金属箔上形成陶瓷薄膜。陶瓷介质薄膜通常通过大范围淀积技术来形成，诸如化学溶液淀积(CSD)、蒸气、溅射、物理汽相淀积和化学气相淀积。然而，为了获得必要的电介质结构，每一技术通常都要求高温淀积或者高温退火。有机分层本身是无法经受得住这些高处理温度的，这是推动基于箔的淀积和退火工艺的事实，结果得到的箔随后被分层为有机衬底。此外，由于通用的诸如铜之类的导体在这种高温容易氧化，所以需要贵金属薄膜，而显然的是，将常规的电容器替换为使用更昂贵材料的电容器并不是最佳解决方案。已经尝试了其他方法来免除对于贵金属薄膜的需要，但是生成这些电容器需要进一步的减少成本，以便将这些新的电容器的成本降至可与将分立部件焊接到印刷电路板的常规实践来竞争的水平。如果能发现在便宜的金属箔上生产陶瓷电容器的成批生产工艺，将是对于现有技术的显著贡献。
将在所附权利要求书中详细阐述本发明的被认为是新颖的特征。然而，然而参照以下结合附图的具体实施方式
部分可以更透彻地理解本发明的体系结构和工作方法及其目的和有益效果，其中在具体实施方式
描述了本发明的某些示例性实施例，所述附图中图1是描述按照本发明的某些实施例的管线式工艺的各处理步骤的流程图。
图2-5是根据本发明的的管线式工艺的各实施例的示意图。
具体实施例方式
尽管本发明容许有许多不同形式的实施例，但将在附图中示出并在此处说明详细的具体实施例，应理解的是，应将本公开内容视为本发明的原理的一个范例，而不是意图将本发明限制为所描述和示出的具体实施例。在以下说明中，类似的附图标记被用于描述该附图的几个视图中的相同的、类似的或者对应的元素。
通过开始于在第一位置处将一段铜箔用作电容器的一个板极、并随后在该铜箔的一侧的一部分上淀积一层陶瓷前身，可以使用管线式卷盘到卷盘的处理技术来经济地大量生产薄膜陶瓷金属箔电容器。然后该箔被推送到下一位置，在该处，该陶瓷前身和铜箔受热，以便除去任何载体溶剂或者溶媒，随后被热解以便除去任何残余的有机材料。随后，其在高温下烧结，以便将该陶瓷转换为多晶陶瓷材料。随后在该多晶陶瓷材料上淀积最终的上金属层，以便形成电容器的另一板极。整个工艺或者部分工艺是管线式执行的，以致同时在箔的不同部分上同时执行一个或多个步骤，或者以致在任何一个步骤之后，该箔被推送，并在箔上的新的位置处重复步骤。
现在参看图1，描述了在用于创建薄膜平行板电容器的管线式工艺的一个实施例中所涉及的各步骤的工艺流程图。开始于一卷或一盘铜箔100，它至少是其宽度的100倍。本领域技术人员可理解的是，典型的管线式工艺使用长材料带，该长材料带通常是缠绕在卷盘或者滚筒上，非常类似于电影或者胶带卷，其随后被慢慢地展开到不同的位置，在该位置产生对于箔的操作，随后处理后的箔被再次缠绕到卷带轴或者卷盘上。可以设想，如图2中所示，可以在铜箔201上随着它的解开并随后再次缠绕来执行多个步骤208。替代地，也可以如图3中所示，在箔上简单地执行单一步骤“A”310，将箔推送到滚距317，然后在箔的另一部分上再次重复该步骤，然后再次推送，重复，重复，直到已经处理了该箔上的多个位置328，始终将该箔缠绕到另一端的收带卷盘344上。然后，该卷盘344被传送到图4中的新工艺线，在该新工艺线中，用和图3中一样的方式，在每一个先前处理位置317上执行第二工艺“B”410。或者，可以使用如图5中所示的组合，在被卷起之前，在箔上预先执行两个不同的步骤“A”和“B”。对于本领域中普通技术人员应该显而易见的是，根据手头的工艺条件和设备以及设计者的愿望，人们可以采用单一步骤的组合、多个步骤、批量生产、批量/管线式等等。
已经解释了管线式工艺，现在描述每一工序的细节和整个工艺。一般来讲，铜箔厚度在5微米和70微米之间，优先选用12微米。重要的是，为了确保获得最高的电容器的可能产量，箔是光滑的，并且不含缺陷。薄箔用作平行板电容器的一个板极。可选步骤105中，铜箔被调节或者被清洗和干燥，以便准备用于随后的淀积步骤的表面，以求确保层之间的良好接合。清洗铜是通过传统方法实现的，比如使用丙酮、酒精、氯化或者氟化溶剂漂清并且干燥。还可以使用超声波搅动。由于箔的平滑性是提供具有最小漏电流和高击穿电压的没有缺陷结构的重要参数，所以我们注意到，化学磨光或者电抛光箔表面有助于产生高质量电容器。
参看图1，箔被推送107，并且在下一步骤110中，在铜箔上淀积氧化隔离层。通过溅射、化学沉积或者电解电镀从钯、铂、铱、氧化钌、镍-磷、镍-铬或者镍-铬中选择出来的金属并伴随少量金属铝，在导电金属箔上淀积隔离层。隔离金属的更具体范例包括含磷的非电解镍或者电解镍。含磷镍提供了特别有效的隔离。含磷镍的含磷量一般来讲是从含磷大约1wt％到大约40wt％，更具体地说是从大约4-11wt％，更加具体来讲是大约8wt％。镍合金应该具有有效限制导电金属层氧化的合金成分浓度。我们注意到，具有大约4-11wt％磷浓度的大约1-5微米厚度的镍磷隔离是有效的。替代地，人们也可以开始于提供其上已经具有镍隔离层的铜箔，比如由Ohmega Technologies以名称Ohmega-Ply来出售的Cu/NiP箔。氧化隔离层防止铜在随后的高温处理步骤期间被氧化和损害。
在另一可选步骤115中，铜箔上的隔离层被清洗和干燥，以便除去任何污染物。清洗是通过传统方法实现的，比如使用丙酮、酒精、氯化或者氟化溶剂漂清并且干燥。可以使用超声波搅动，并且我们还发现使用适当的清洁剂和漂清的含水处理是有效的清洗方法。在该点，我们认为管线式工艺中的停止点是合乎逻辑的，即人们往往将铜箔卷在卷盘上，并将该卷盘转移到一条处理线路来淀积和处理陶瓷介质并且继续步骤。然而，如上文概述的，人们可以在多个点中断管线式工艺或者在一个大型线路上继续整个工艺。
箔被推送117，并且在隔离层上淀积120电介质氧化物或者陶瓷前身。由前身形成的陶瓷的一些具体范例包括锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、锆钛酸铝钙(PCZT)、钛酸铝镧(PLT)、钛酸铅(PT)、锆酸铅(PZ)、铌酸铝镁(PMN)、钛酸钡(BTO)和钛酸钡锶(BSTO)。诸如PZT、PLZT和PCZT之类的电介质氧化物属于具有钙钛矿晶体结构的高电容率陶瓷介质的格外有前途的分类。这些电介质氧化物被制成非常薄的、柔性的、坚固的层，并具有非常高的介电常数。适用于这一步骤的管线式工艺包括喷镀、雾涂层、浸渍涂层、弯液面涂层、化学气相淀积或者其他使用了膏剂的浸液涂漆技术在铜滚筒的一部分淀积前身之后，随后推送127箔，并且通过加热干燥130陶瓷前身，以除去任何载体溶剂或者溶媒。这通常是在250-450℃，在烘箱中一到五分钟来实现的。氮气氛有益于减少铜箔的未使用侧面可能被氧化的风险。此外，本领域中的普通技术人员还可理解的是，陶瓷前身膏剂被淀积在铜箔的一部分上，同时箔的另一上行部分正在烘箱中干燥先前淀积的前身。诸如淀积和提供烘焙(baking lend)之类的工艺本身对于连续的管线式活动格外良好，但不是对于步进式活动。箔继续被推送137到热分解步骤146，在该步骤，干燥后的陶瓷前身在高温下加热很长时间，以除去前身中的大多数有机粘合材料。这一步骤非常适用于烘箱或者熔炉，典型的温度范围从250-450℃，并且从1分钟至15分钟，并且如同上述，氮气氛有助于防止铜箔的暴露面氧化。一般来讲，淀积前身120、干燥前身130和热分解前身140的步骤被重复至少一次，以建立较厚的陶瓷层。这伴随的或者是在步骤140之后中断管线式工艺并且将具有已干燥陶瓷的铜箔卷绕起来，并随后再次在线路开始时重新启动该箔以便被第二次处理，或者是可以简单地对现有线路添加更多的淀积和干燥位置。根据情况和加工条件，人们可以铺设少到一个陶瓷涂层或者多到四个陶瓷涂层，来获得必要的物理和电特性。
这留下在铜箔上淀积的电介质氧化物残余，该铜箔现在可以被再次推送147，并且随后高温下烧结150，以便将该前身转换为多晶方位的复晶结构(即，钙钛矿)。500-675℃的温度是有益的，优选的是550-600℃，在空气中、但优选的是在氮气氛中持续1-30分钟。在形成陶瓷介质所需要的高温下，铜可以在陶瓷介质和铜之间的界面构成一氧化铜的薄层。这可能产生损害整体设备性能的中间层，因而使通过利用陶瓷介质获得的任何益处作废。其次，有利于铜的还原气层产生了过度的缺陷密度，并且可能破坏电介质氧化层中的相位构造。对于陶瓷介质很明显的是，良好的介电性能与复晶结构(即，钙钛矿)密切相关，而该复晶结构(即，钙钛矿)难以在较低温度产生。先前淀积的镍隔离层防止铜箔高温下氧化或者缩减，因而消除了可能改变陶瓷结构的有害副产品。由于在烧结步骤150期间几乎没有材料脱气，人们可以在此刻再次中断工艺，例如通过将卷盘放置在处于适当温度的熔炉中，来在单一步骤中批量烧结整个卷盘。
在已经形成电容器的第一板极以及电容器的介质层之后，现在我们转而管线式形成第二平行板。在淀积第二板极之前，在烧结陶瓷上淀积160晶粒层，以便促进随后的板极形成，并且确保随后的金属层与陶瓷的充分粘着。该层是从诸如先前为隔离层描述的那些金属中选出来的，但也可以包括铜。该层通过化学沉积、蒸气、溅射、等离子体化学气相淀积或者真空镀膜，被淀积在烧结的电介质氧化层上。最终，优选的是通过无电解或者电解电镀、或者通过与被用于晶粒层的相同方法来添加170电容器的上金属板。一个后期调节的可选步骤175清洗铜箔的外表面，以便除去诸如一氧化铜的任何氧化物或者其他污染物。这可能伴随有适当的酸化作业，继之以细致的漂清。然后，完成的电容器被卷绕到卷带盘上，以供存储或转移到另一位置，在所述另一位置处，该电容器被从带盘上切下，以便随后添加到PCB中。
总之，但不意图限制本发明的范围，通过开始于将一段铜箔用作电容器的一个板极、并随后在第一位置处在该铜箔的一侧的一部分上淀积一层陶瓷前身，可以使用管线式的卷盘到卷盘的处理技术来经济地大量生产薄膜陶瓷金属箔电容器。然后该箔被进行到下一位置，在该处，该陶瓷前身和铜箔受热，以便除去任何载体溶剂或者溶媒，随后被热解以便除去任何残余的有机材料。随后，其在高温下烧结，以便将该陶瓷转换为多晶陶瓷材料。随后在该多晶陶瓷材料上淀积最终的上金属层，以便形成电容器的另一板极。整个工艺或者部分工艺是管线式执行的，以致同时在箔的不同部分上同时执行一个或多个步骤，或者以致在任何一个步骤之后，该箔被推送，并在箔上的新的位置处重复步骤。本领域的技术人员将意识到，已经通过基于使用单一管线式工艺或者许多多管线式工艺的组合的示例性实施例描述了本发明。尽管已经结合这些具体实施例描述了本发明，但显然的是，根据上述说明，许多替代、改进、置换和变型对于本领域中普通技术人员变得十分清楚明白。例如，代替烧结热解后的前身以形成陶瓷、并在烧结的电介质之上淀积晶粒层，人们还可以在烧结步骤之前淀积晶粒层、并且随后在已经淀积晶粒层之后执行烧结步骤，如在图1中通过描述替代实施例的虚线和虚框151和161所示出的那样。据此，本发明意图涵盖属于所附权利要求书的范围的所有这类替代、改进和变型。
权利要求
1.用于形成电容器的管线式的卷盘到卷盘工艺，包含按照指定顺序的以下步骤A.提供一段铜箔；淀积氧化隔离层；B.在铜箔的一部分上淀积陶瓷前身层；C.对陶瓷前身加热以便将它转换为多晶陶瓷材料；D.在多晶陶瓷材料上淀积上金属层以构成电容器；以及其中步骤B-E中的任何步骤都是在步骤B-E中的任何步骤在该段箔的另一部分上执行的同时，在该段箔的一部分上执行的。
2.如权利要求1所述的工艺，在步骤A之后还包含清洗铜箔的步骤。
3.如权利要求1所述的工艺，还包含清洗隔离层的步骤。
4.如权利要求1所述的工艺，其中氧化隔离层是镍-磷、镍、铂或者氧化钌。
5.如权利要求1所述的工艺，在步骤C之后还包含干燥已淀积的前身的步骤。
6.如权利要求5所述的工艺，在步骤C之后还包含热分解已干燥的前身的步骤。
7.如权利要求1所述的工艺，在步骤C之后还包含在多晶陶瓷材料上淀积晶粒层的步骤；
8.如权利要求1所述的工艺，其中在发生步骤D之前，步骤C被重复一次或多次。
9.如权利要求1所述的工艺，其中淀积陶瓷前身层的步骤包含喷镀金属、雾涂层、浸渍涂层、或者弯液面涂层。
10.如权利要求1所述的工艺，其中选择前身以产生PLZT或者PCZT陶瓷。
11.用于形成电容器的管线式的卷盘到卷盘工艺，包含以下步骤E.提供一段铜箔；F.在铜箔的一侧的一部分上提供氧化隔离层；G.在隔离层的上淀积陶瓷前身层；H.干燥该已淀积的前身；I.热分解该已干燥的前身；J.烧结该已热解的前身，以形成多晶陶瓷材料；K.在多晶陶瓷材料上淀积晶粒层；L.在晶粒层上淀积上金属层以构成电容器；以及其中步骤B-H中的任何步骤都是在步骤B-H中的任何步骤在该段箔的另一部分上执行的同时，在该段箔的一部分上执行的。
12.如权利要求11所述的工艺，在步骤A之后还包含清洗铜箔的步骤。
13.如权利要求11所述的工艺，在步骤B之后还包含清洗隔离层的步骤。
14.如权利要求11所述的工艺，其中在发生步骤F之前，步骤C-E被重复一次或多次。
15.如权利要求11所述的工艺，在步骤H之后还包含清洗上金属层的步骤。
16.如权利要求11所述的工艺，还包含在步骤H之后将该段箔卷绕到卷盘上的步骤。
17.如权利要求11所述的工艺，其中氧化隔离层是镍-磷、镍、铂或者氧化钌。
18.如权利要求11所述的工艺，其中淀积陶瓷前身层的步骤包含喷镀金属、雾涂层、浸渍涂层、或者弯液面涂层。
19.如权利要求11所述的工艺，其中选择前身以产生PLZT或者PCZT陶瓷。
20.用于形成电容器的管线式的卷盘到卷盘工艺，包含以下步骤提供一段铜箔；在铜箔的第一部分上淀积陶瓷前身层；将该箔纵向推送，并在该箔的随后的部分上淀积陶瓷前身；将推送和淀积的步骤重复多次；对陶瓷前身加热以便将它转换为多晶陶瓷材料；以及在多晶陶瓷材料上淀积上金属层以构成电容器。
21.用于形成电容器的管线式的卷盘到卷盘工艺，包含以下步骤M.提供一段铜箔；N.在铜箔的一侧的一部分上提供氧化隔离层；O.在隔离层的上淀积陶瓷前身层；P.干燥该已淀积的前身；Q.热分解该已干燥的前身；R.在已热解的前身上淀积晶粒层；S.烧结该已热解的前身，以形成多晶陶瓷材料；T.在晶粒层上淀积上金属层以构成电容器；以及其中步骤B-H中的任何步骤都是在步骤B-H中的任何步骤在该段箔的另一部分上执行的同时，在该段箔的一部分上执行的。
全文摘要
通过开始(100)于将一段铜箔用作电容器的一个板极、并随后在第一台处在该铜箔的一侧的一部分上淀积(120)一层陶瓷前身，可以使用管线式卷盘到卷盘的处理技术来经济地大量生产薄膜陶瓷金属箔电容器。该箔被推送(117，127，137，147)到下一位置，在下一位置，该陶瓷前身和铜箔受热(130)，以便除去任何载体溶剂或者溶媒，随后被热解(140)以便除去任何残余的有机材料。随后，其在高温下烧结(150)，以便将该陶瓷转换为多晶陶瓷材料。随后在该多晶陶瓷材料上淀积(160)最终的上金属层，以便形成电容器的另一板极。
文档编号C23C28/00GK1732051SQ200380108116
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月30日
发明者罗伯特·克罗斯韦尔, 约维察·萨维奇, 阿隆·廷加雷, 塔云·金, 安格斯·扬·金根, 乔恩－保罗·马里亚 申请人:摩托罗拉公司