专利名称：一种微型高压电容器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微型高压电容器及其制备方法，尤其涉及一种以玻璃陶瓷材料为 电介质的微型高压电容器及其制备方法。
背景技术：
随着电子工业对贴片高压电容的需求发展，高压电容器的“小型化”、“薄片化”趋 势驱使着人们对组成电容器的电介质材料和内外电极结构进行深入研发。传统烧结型铁电陶瓷材料可以获得高的介电常数，它在大容量电容器的制备上具 有材料优势，尤其是以它为基础制成的片式多层陶瓷电容器(MLCC)已经得到广泛应用。但 是，由于烧结陶瓷残存的孔隙等固有缺陷较多，其击穿强度相对较低(< 10kV/mm)。因此， 对于制备电容量要求不高，但对耐压性能有较高要求的高压电容器而言，采用烧结陶瓷作 为电介质时只能以增加介质层厚度来满足需求。这样实际上不仅大大增加了电容器的厚 度，而且同时也降低了电容器的容量。特别是在高电场下，电容器内电极有效半径R与电容 器厚度d比值(R/d< 10时)越小，边缘效应导致的电场畸变越严重，从而导致电容器整体 的单位厚度耐压能力(kV/mm)亦越差。因此，高压电容器“小型化”、“薄片化”的有效手段 是减少厚度，这就需要开发一种介电常数与烧结陶瓷相差不大，但能大幅度提高击穿强度 的电介质材料。高压电容器的内外电极结构，对其性能有较大影响。内电极的致密性和连续性，是 电容器电容量设计精确的保证，同时也是减少电场畸变，使其耐压性能不受电极影响的保 证。传统陶瓷电容器的单层浆料内电极虽然制作方便、成本较低，但浆料电极烧结残留孔隙 的固有缺点难以克服，内电极的致密性和连续性难以保证。此外，在薄层电介质高压电容的 电极设计中，还应考虑①防止内电极沿面击穿而造成器件耐压能力严重下降；②防止外 电极端头与内电极焊接过程造成电介质脆裂，尤其是薄层介质；③在适宜的焊接温度下，焊 接材料和内外电极的结合力均要好。目前，在世界范围内应用广泛的温度特性为X7R的高压电容器仍然主要以铁电烧 结陶瓷(BaTiO3系列)为电介质材料，因此开发一种以高介电常数(>100)的玻璃陶瓷为 电介质材料、采用内外电极结构设计的片式微型高压电容器成为本领域急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的是利用一种介电常数较高、且击穿强度 相对普通烧结陶瓷有大幅度提高的玻璃陶瓷电介质材料，开发一种温度特性为X7R的微型 高压电容器。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种微型高压电容器，包括电介质层、电极和灌封材料，其特征在于所述的电 介质层由玻璃陶瓷材料构成，所述的电极由内到外依次为金膜内电极、银浆过渡电极、 In-Sn50合金薄片和紫铜片外电极端头，所述的金膜内电极镀覆在电介质层表面，银浆过渡电极通过涂覆银浆，烧结固化在金膜内电极上，银浆过渡电极与紫铜片外电极端头之间通 过In-Sn50合金薄片焊接，最后采用灌封材料灌封成片式电容器，所述的灌封材料为环氧 树脂。一种优选技术方案，其特征在于所述的电介质层为Nii2O-PbO-Nb2O5-SiO2体系玻 璃陶瓷圆片，圆片的厚度为0. 3 0. 5mm,圆片的直径为Φ5 20mm，圆片的表面经抛光处 理，光洁度高于RaO. 1。一种优选技术方案，其特征在于所述的金膜内电极厚度为1 2 μ m，呈圆形，且 金膜内电极圆形边缘与玻璃陶瓷圆片边缘的距离> 2mm，通过磁控溅射工艺镀覆在玻璃陶 瓷圆片上。一种优选技术方案，其特征在于所述的银浆过渡电极通过丝网印刷技术将可 低温烧结固化的银浆料以同等面积涂覆在金膜内电极表面，再烧结固化形成厚度为10 20 μ m的银膜电极层，所述的银浆料的烧结温度彡6000C。一种优选技术方案，其特征在于所述的In-Sn50合金薄片厚度为0. 1mm，放置在 银浆过渡电极与紫铜片外电极端头之间，以缓慢加热方式在140 160°C将银浆过渡电极 与紫铜片外电极端头焊接在一起。一种优选技术方案，其特征在于所述的电容器外观尺寸为直径Φ10 25mm，厚 度为1 2mm ；所述的电容器的电容量为IOpF InF，直流电压为10 20kV，温度特性为 X7R。本发明的另一目的是提供一种微型高压电容器的制备方法，其中包括电容器内外 电极结构设计与封装工艺等。本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的一种微型高压电容器的制备方法，其步骤包括①制备Na2O-PbO-Nb2O5-SW2 体系玻璃体；②将步骤①所得玻璃体通过可控结晶技术制备玻璃陶瓷，并将所得的玻璃陶瓷加 工成直径为Φ 5 20mm，厚度为0. 3 0. 5mm，表面光洁度高于RaO. 1的玻璃陶瓷圆片；对 比选取介电常数大于150的玻璃陶瓷圆片；③通过磁控溅射技术在步骤②得到的介电常数大于150的玻璃陶瓷圆片的两面 上镀金膜，得到金膜内电极，金膜内电极厚度为1 2 μ m，呈圆形，且金膜内电极圆形边缘 与玻璃陶瓷圆片边缘的距离> 2mm ；④通过丝网印刷技术在步骤③得到的金膜内电极表面涂敷相同面积的可低温烧 结固化银浆料，并在600°C下烧结致密，得到厚度为10 20 μ m的银浆过渡电极；
⑤将厚度为0. 1 0. 2mm的In-Sn50合金薄片放置在银浆过渡电极与紫铜片外电 极端头之间，以缓慢加热方式进行焊接，紫铜片外电极端头可根据需要设计形状，例如圆形 平板状，或带有螺纹内孔的圆形平板，亦可是一端带有引出连线的端电极，等等。⑥采用AB型环氧树脂材料对步骤⑤得到的电容器电极结构进行灌封、固化，然后 进行外形处理，使获得的电容器外观尺寸达到设计要求。一种优选技术方案，其特征在于所述的步骤①制备Na2O-PbO-Nb2O5-SW2体系玻 璃体的方法为以分析纯的Na2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2*原料，依次按照配比2 2 3 6或 1:1:2: 3将其充分混合后在140(TC下熔融池，再将融体在预热钢制模具中浇铸成透明玻璃体，后在退火炉中去应力退火，得到有色透明玻璃体。一种优选技术方案，其特征在于所述的步骤②中可控结晶技术制备玻璃陶瓷为 将步骤①所得玻璃体分不同形核温度与加热阶段等，分别在700°c、75(rc、80(rc、85(rc、 900°C温度下形核结晶: 获得的玻璃陶瓷。一种优选技术方案，其特征在于所述的步骤⑤中缓慢加热方式为以1 2°C/min 缓慢升温至140 160°C，再以1°C /min缓慢降温至室温。所述的步骤⑥中电容器外观尺寸为直径Φ15πιπι，厚度为1. 5mm(除去紫铜片外电 极端头)。本发明中技术方案设计及制备方法的流程如下①Na2O-PbO-Nb2O5-SiA体系玻璃体的制备。②采用可控结晶技术制备介电常数较高的玻璃陶瓷，并加工成薄圆片。③通过磁控溅射技术在玻璃陶瓷薄片两面镀金膜圆内电极。为保证内电极的致密性和连续性，本发明采用直流磁控溅射技术，选择适当的模 具与夹具，在圆片玻璃陶瓷两表面镀成与陶瓷片同圆心的致密圆金膜。控制镀膜时间，使附 着的金膜厚度为1 2μπι。可根据电容器标称容量之设计控制镀金膜直径大小，但为防止 内电极沿面击穿而造成器件耐压能力严重下降，金膜圆面边缘与玻璃陶瓷圆片边缘间的距 离必须> 2mm。④通过丝网印刷技术在金膜上印刷银浆过渡电极，并烧结致密。单层金膜作为内电极时，其与外电极之间难以通过普通焊接手段达到结合要求， 这就需要在中间增加一层银浆过渡电极来加以改善。而且，要保证不因烧结温度过高而使 玻璃陶瓷介质片软化变形，所述银浆材料是可低温烧结固化银浆料(烧结温度< 600°C )， 通过丝网印刷技术以与金膜内电极同等面积刷制覆盖在其表面，再在500 600°C下烧结 固化。⑤以缓慢加热方式，采用In-Sn50合金薄片在银浆过渡电极上焊接电容器外电极 端头。为防止外电极端头与内电极焊接过程造成薄层玻璃陶瓷介质脆裂，焊接外电极端 头需要采用低温焊接材料，并采取缓慢加热方式。In_Sn50合金薄片熔点低，导电性好。⑥采用AB型环氧树脂材料对电容器电极结构进行灌封、固化，然后进行外形处 理，使获得的电容器外观尺寸达到设计要求。高压电容器的封装材料应当耐击穿强度高，耐热防火，机械强度和韧度高。代号为 “ 1059-1A”和“ 1059-1B”的AB型环氧树脂材料不仅具有上述特点，而且灌装粘度低，适宜本 发明的封装需求，选定其为灌封材料。本发明的优点在于本发明提供了一种直径Φ 10 25mm，厚度1 2mm，标称电容量IOpF InF，额定 直流电压10 20kV，温度特性为X7R的微型高压电容器。与同等耐压强度下传统陶瓷电容 器相比，该电容器的体积显著减小。电容器所采用的内外电极设计工艺，既可保证内电极的 致密和连续性，又能减弱电极边缘效应，提高电容器的耐压强度，同时消除焊接过程造成片 层介质材料脆性断裂的影响，为高压电容器的“小型化”、“薄片化”提供了一种新的设计思 路和制备方法。本发明具有良好的市场应用前景，尤其是在对高压电容器有“薄片化”特殊要求的需求应用上具有良好的商业前景。下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保 护范围的限制。
图1为本发明中微型高压电容器的剖面示意图。图2为本发明中微型高压电容器的立体示意图。图3为本发明实施例1电容器的电容量随温度变化曲线图。图4为本发明中不同结晶温度下获得的玻璃陶瓷的介电常数随测试频率变化分 布图。
具体实施例方式实施例1图1为本发明中微型高压电容器的剖面示意图，图2为本发明中微型高压电容器 的立体示意图，其中10为AB型环氧树脂材料，20为玻璃陶瓷圆片，30为金膜内电极，40为 银浆过渡电极，50为In-Sn50合金薄片，60为紫铜片外电极端头。将分析纯Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉体按照2 :2:3: 6配比混合均勻后 在1400°C下熔融2小时，将融体在预热钢制模具中浇铸成尺寸约25mmX25mmX3mm的块状 玻璃体，去应力退火3小时，得到有色透明玻璃体。将玻璃体在在不同温度下形核结晶，即 分别在700°C、750°C、80(rC、85(rC、90(rC温度下形核结晶3h获得玻璃陶瓷，再经切边、切 片、滚圆、研磨和抛光获得直径为Φ 15士0. Olmm厚度为0. 40士0. 01mm，表面经抛光处理(光 洁度高于RaO. 1)的圆片，经测试，在不同结晶温度下获得的玻璃陶瓷的介电常数随测试频 率变化分布如图4所示。选取1片介电常数约170，结晶温度为850°C的玻璃陶瓷圆片20， 采用直流磁控溅射镀膜技术，在两表面镀成与圆片同心的直径为φιο 的金膜作为金膜 内电极30，经电镜检测膜层厚度为 2 μ m。再采用丝网印刷技术在金膜内电极表面涂敷相 同面积的可低温烧结固化银浆料(烧结温度< 600°C )，并在600°C下烧结致密，得到厚度 为20 μ m的银膜层，形成银浆过渡电极40。将厚度为0. Imm的In-Sn50合金薄片50放置 在银浆过渡电极40与紫铜片外电极端头60之间，缓慢升温至150°C (2°C /min)，再缓慢降 温至室温(-1°C/min)，对外电极进行焊接。最后采用AB型环氧树脂材料10对电容器电 极结构进行灌封、固化，然后进行外形处理，使获得的电容器外观尺寸为直径Φ 15mm,厚度 1. 5mm(除去外电极端头)。如图3所示，为本实施例电容器的电容量随温度变化曲线图，经 变温测试，该电容器在IkHz下温度范围-55°C 125°C时容量变化率为-7. 73% 7. 71 %。 符合X7R电容变化率士 15%的要求。25°C下电容器的标称电容量为 ^OpF,直流击穿电 压 18. 5kY，其额定直流工作电压可认为是18. 5/1. 2 = 15. 4kV。实施例2将分析纯Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉体按照1 :1:2: 3配比混合均勻后 在1400°C下熔融2小时，将融体在预热钢制模具中浇铸成尺寸约25mmX25mmX3mm的块状 玻璃体，去应力退火3小时，得到有色透明玻璃体。将玻璃体在不同温度下(700°C、750°C、 800°C、850°C、90(rC)形核结晶形核结晶池获得玻璃陶瓷，再经切边、切片、滚圆、研磨和抛光获得直径为Φ20士0.01mm厚度为0. 50士0. 01mm，表面经抛光处理(光洁度高于RaO. 1) 的圆片，经测试，在不同结晶温度下获得的玻璃陶瓷的介电常数随测试频率变化分布如图4 所示。选取1片介电常数约350，结晶温度为900°C的玻璃陶瓷圆片20，采用直流磁控溅射 镀膜技术，在两表面镀成与圆片同心的直径为Φ 15mm的金膜作为金膜内电极30，经电镜检 测膜层厚度为 2 μ m。再采用丝网印刷技术在金层表面涂敷相同面积的低温银浆电极，并 在600°C下烧结致密，得到厚度为10 μ m的银膜层，形成银浆过渡电极40。将厚度为0. Imm 的In-Sn50合金薄片50放置在银浆过渡电极40与紫铜片外电极端头60之间，缓慢升温至 150°C (rC/min)，再缓慢降温至室温(-rC/min)，对外电极进行焊接。最后采用AB型环 氧树脂材料10对电容器电极结构进行灌封、固化，然后进行外形处理，使获得的电容器外 观尺寸为直径Φ 25mm，厚度为2mm。25°C下电容器的标称电容量为 1.09nF，直流击穿电 压 13. 2kV，其额定直流工作电压可认为是13. 2/1. 2=11. OkV。实施例3将分析纯Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉体按照2 :2:3: 6配比混合均勻后 在1400°C下熔融2小时，将融体在预热钢制模具中浇铸成尺寸约25mmX25mmX3mm的块状 玻璃体，去应力退火3小时，得到有色透明玻璃体。将玻璃体在不同温度下(700°C、750°C、 800°C、850°C、90(rC)形核结晶池获得玻璃陶瓷，再经切边、切片、滚圆、研磨和抛光获得直 径为Φ5±0. Olmm厚度为0.50士0.01mm，表面经抛光处理(光洁度高于RaO. 1)的圆片，经 测试，在不同结晶温度下获得的玻璃陶瓷的介电常数随测试频率变化分布如图4所示。选 取1片介电常数约170，结晶温度为850°C的玻璃陶瓷圆片20，采用直流磁控溅射镀膜技术， 在两表面镀成与圆片同心的直径为Φ Imm的金膜作为金膜内电极30，经电镜检测膜层厚度 为 Ιμπι。再采用丝网印刷技术在金层表面涂敷相同面积的低温银浆电极，并在600°C下 烧结致密，得到厚度为20 μ m的银膜层，形成银浆过渡电极40。将厚度为0. Imm的In-Sn50 合金薄片50放置在银浆过渡电极40与紫铜片外电极端头60之间，缓慢升温至150°C (2°C / min)，再缓慢降温至室温(-rC/min)，对外电极进行焊接。最后采用AB型环氧树脂材料 10对电容器电极结构进行灌封、固化，然后进行外形处理，使获得的电容器外观尺寸为直径 Φ 10mm，厚度2mm(除去外电极端头)。25°C下电容器的标称电容量为 10pF，直流击穿电 压 25. 5kY，其额定直流工作电压可认为是25. 5/1. 2 = 21. 5kV。实施例4将分析纯Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉体按照2 :2:3: 6配比混合均勻后 在1400°C下熔融2小时，将融体在预热钢制模具中浇铸成尺寸约25mmX25mmX3mm的块状 玻璃体，去应力退火3小时，得到有色透明玻璃体。将玻璃体在不同温度下(700°C、750°C、 800850900°C )形核结晶池获得玻璃陶瓷，再经切边、切片、滚圆、研磨和抛光获得 直径为Φ 15士0.01mm厚度为0.30士0.01mm，表面经抛光处理(光洁度高于RaO. 1)的圆 片，经测试，在不同结晶温度下获得的玻璃陶瓷的介电常数随测试频率变化分布如图4所 示。选取1片介电常数约170，结晶温度为850°C的玻璃陶瓷圆片20，采用直流磁控溅射镀 膜技术，在两表面镀成与圆片同心的直径为Φ IOmm的金膜作为金膜内电极30，经电镜检测 膜层厚度为 2 μ m。再采用丝网印刷技术在金层表面涂敷相同面积的低温银浆电极，并在 600°C下烧结致密，得到厚度为20 μ m的银膜层，形成银浆过渡电极40。将厚度为0. 2mm的 In-Sn50合金薄片50放置在银浆过渡电极40与紫铜片外电极端头60之间，缓慢升温至150°C 0°C/min)，再缓慢降温至室温(_1°C/min)，对外电极进行焊接。最后采用AB型环氧 树脂材料10对电容器电极结构进行灌封、固化，然后进行外形处理，使获得的电容器外观 尺寸为直径Φ 20mm,厚度Imm (除去外电极端头)。25°C下电容器的标称电容量为 400pF， 直流击穿电压 13. 5kV，其额定直流工作电压可认为是13. 5/1. 2=11. 3kV。
以上对本发明中微型高压电容器的制备方法进行了阐述，文中应用了具体个例对 发明的原理及实施方式进行了叙述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及 其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
(如 内电极尺寸可更小，外电极端头形状可改为平板等其他形状等)及应用范围上均可有所改 变，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种微型高压电容器，包括电介质层、电极和灌封材料，其特征在于所述的电介质 层由玻璃陶瓷材料构成，所述的电极由内到外依次为金膜内电极、银浆过渡电极、In_Sn50 合金薄片和紫铜片外电极端头，所述的金膜内电极镀覆在电介质层表面，银浆过渡电极 通过涂覆银浆，烧结固化在金膜内电极上，银浆过渡电极与紫铜片外电极端头之间通过 In-Sn50合金薄片焊接，最后采用灌封材料灌封成片式电容器，所述的灌封材料为环氧树 脂。
2.根据权利要求1所述的微型高压电容器，其特征在于所述的电介质层为 Na2O-PbO-Nb2O5-SiO2体系玻璃陶瓷圆片，圆片的厚度为0. 3 0. 5mm,圆片的直径为Φ5 20mm,圆片的光洁度高于RaO. 1。
3.根据权利要求1所述的微型高压电容器，其特征在于所述的金膜内电极厚度为 1 2 μ m，呈圆形，且金膜内电极圆形边缘与玻璃陶瓷圆片边缘的距离彡2mm,通过磁控溅 射工艺镀覆在玻璃陶瓷圆片上。
4.根据权利要求1所述的微型高压电容器，其特征在于所述的银浆过渡电极通过丝 网印刷技术将可低温烧结固化的银浆料以同等面积涂覆在金膜内电极表面，再烧结固化形 成厚度为10 20μπι的银膜电极层，所述的银浆料的烧结温度彡600°C。
5.根据权利要求1所述的微型高压电容器，其特征在于所述的In-Sn50合金薄片 厚度为0. 1 0. 2mm，放置在银浆过渡电极与紫铜片外电极端头之间，以缓慢加热方式在 140 160°C将银浆过渡电极与紫铜片外电极端头焊接在一起。
6.根据权利要求1所述的微型高压电容器，其特征在于所述的电容器外观尺寸为直 径Φ 10 25mm，厚度为1 2mm ；所述的电容器的电容量为IOpF InF，直流电压为10 20kV，温度特性为X7R。
7.—种微型高压电容器的制备方法，其步骤包括①制备NEi2O-PbO-Nb2O5-SiA体系玻璃体；②将步骤①所得玻璃体通过可控结晶技术制备玻璃陶瓷，并将所得的玻璃陶瓷加工成 直径为Φ 5 20mm，厚度为0. 3 0. 5mm，表面光洁度高于RaO. 1的玻璃陶瓷圆片；对比选 取介电常数大于150的玻璃陶瓷圆片；③通过磁控溅射技术在步骤②得到的玻璃陶瓷圆片的两面上镀金膜，得到金膜内电 极，金膜内电极厚度为1 2 μ m，呈圆形，且金膜内电极圆形边缘与玻璃陶瓷圆片边缘的距 离彡2mm ；④通过丝网印刷技术在步骤③得到的金膜内电极表面涂敷相同面积的可低温烧结固 化银浆料，并在600°C下烧结致密，厚度为10 20 μ m,得到银浆过渡电极；⑤将厚度为0.1 0. 2mm的In-Sn50合金薄片放置在银浆过渡电极与紫铜片外电极端 头之间，以缓慢加热方式进行焊接。⑥采用AB型环氧树脂材料对步骤⑤得到的电容器电极结构进行灌封、固化，然后进行 外形处理，使获得的电容器外观尺寸达到设计要求。
8.根据权利要求7所述的微型高压电容器的制备方法，其特征在于所述的步骤①制 备NEt2O-I^bO-Nb2O5-SiA体系玻璃体的方法为以分析纯的Na2CO3, PbO, Nb2O5，SiO2为原料，依 次按照配比2 2 3 6或1 1 2 3将其充分混合后在1400°C下熔融2h，再将融 体在预热钢制模具中浇铸成透明玻璃体，后在退火炉中去应力退火，得到有色透明玻璃体。
9.根据权利要求7所述的微型高压电容器的制备方法，其特征在于所述的步骤②中 可控结晶技术制备玻璃陶瓷为将步骤①所得玻璃体分不同形核温度与加热阶段，分别在 700°c、750°c、80(rc、85(rc、90(rc温度下形核结晶3h获得玻璃陶瓷。
10.根据权利要求7所述的微型高压电容器的制备方法，其特征在于所述的步骤⑤中 缓慢加热方式为以1 2V Mn缓慢升温至150°C，再以1°C /min缓慢降温至室温。
全文摘要
本发明涉及一种微型高压电容器及其制备方法，电介质层由玻璃陶瓷材料构成，电极由内到外依次为金膜内电极、银浆过渡电极、In-Sn50合金薄片和紫铜片外电极端头，灌封材料为环氧树脂。本发明提供了一种直径Φ10～25mm，厚度1～2mm，标称电容量10pF～1nF，额定直流电压10～20kV，温度特性为X7R的微型高压电容器。该电容器的体积显著减小，电容器所采用的内外电极设计工艺，既可保证内电极的致密和连续性，又能减弱电极边缘效应，提高电容器的耐压强度，同时消除焊接过程造成片层介质材料脆性断裂的影响，为高压电容器的“小型化”、“薄片化”提供了一种新的设计思路和制备方法。
文档编号H01G4/005GK102054585SQ200910236079
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者唐群, 张庆猛, 朱君, 李洪涛, 杜军, 王勐, 王磊, 章林文, 罗君, 谢卫平 申请人:北京有色金属研究总院