专利名称：体电容器和方法
技术领域：
本发明涉及电容器。更具体而言，本发明涉及一种能够实现高电容密度的电容器。
背景技术：
用于生产电容器(包括电解电容器和陶瓷电容器)的技术正在被推进到其实际物理极限。传统上，通过高表面面积实现高电容密度，例如在钽电解电容器或碳双层电容器中。或者，如在多层陶瓷电容器中使用的那样，可以通过薄的高介电常数(K)电介质材料来实现高电容密度。尽管有这些进展，仍然还有问题。具体而言，对高电容密度的需求不断增加，超过了与这样的方法相关联的极限。高电容密度是制造更小电子器件高度希望有的特征。需要一种能够实现高电容密度的电容器。因此，这里公开的实施例的目的、特征或优点是提供一种能够实现高电容密度的电容器和制造电容器的方法。从以下说明书和权利要求，这些方面中的一个或多个将变得显而易见。
发明内容
根据这里公开的实施例的一个方面，一种体电容器(bulk capacitor)包括金属箔，所述金属箔上的半导电多孔陶瓷体，所述多孔陶瓷体上的电介质层(例如，通过氧化形成)，填充所述多孔体的导电介质，以及封装所述多孔体的导电金属层。根据本发明的另一方面，提供了一种制造体电容器的方法，包括在金属箔上形成半导电多孔陶瓷体，氧化所述半导电多孔陶瓷体以形成电介质层，利用导电介质填充所述多孔体，以及利用导电金属层封装所述多孔体。
图1示出了根据本发明的电容器的一个实施例；图2为截面图，示出了根据本发明一个方面的第一电极、第一陶瓷层和多孔陶瓷体的一部分；图3示出了根据本发明的电容器的另一实施例；图4示出了根据本发明的安装基板；图5示出了根据本发明的电容器的另一实施例；以及图6示出了根据本发明一个方面的方法。
具体实施例方式本发明提供了一种具有高电容密度的电容器。本发明通过创造性地组合陶瓷的高介电常数和多孔基体的大表面面积实现了高电容密度。具体而言，电容器可以结合具有大表面面积的多孔陶瓷体利用陶瓷材料的高介电常数。在金属箔上形成多孔陶瓷体。通常，金属箔充当第一电极。还可以在多孔陶瓷体和金属箔之间设置中间陶瓷层。接下来对多孔陶瓷体进行氧化。可以通过诸如热氧化或电化学氧化的各种技术形成氧化。氧化在多孔陶瓷体的自由表面上形成薄的高K电介质层。 然后利用导电介质，例如导电聚合物填充多孔陶瓷体。通常，导电介质形成第二电极。然后能够增加后续结构以封装电容器结构并且形成适当的安装结构和/或电气端子。例如，在利用导电介质填充多孔陶瓷体之后，可以利用导电金属层，例如银封装多孔陶瓷体。多孔结构提供的大表面面积和电介质提供的高K电介质薄层所得的组合能够制造出小尺寸、高电容密度的电容器。图1示出了电容器10的简化实施例。电容器10包括第一电极12，第一电极12可以由包括金属箔的各种材料形成。可以使用各种金属箔。可以从包括Ta、Ni、W、Nb、V、Mo、 Fe或其合金的元素组选择金属箔。科伐合金和因瓦合金也是优选的，因为它们的热膨胀系数(CTE)与电介质层和/或陶瓷层的CTE匹配。从多种来源可以获得适当的箔，包括但不限于美国宾夕法尼亚州Wyomissing的卡彭特技术公司，美国宾夕法尼亚州Boyertown的卡博特公司以及从Newton，MA的世泰科公司。如上所述，第一电极12的CTE被选择为匹配电介质和/或陶瓷元素，由此使热应力最小。在典型实施例中，使用3-15ppm的CTE。可以使用各种箔厚度，例如20-250微米范围。更典型的范围可以是100-150微米的范围。在第一电极12上形成半导电多孔陶瓷体18。应理解，可以使用各种几何外形(基本取决于第一电极12的形状)而不脱离本发明的范围。还应理解，可以利用多种陶瓷层和 /或成分使用各种工艺来形成和/或沉积多孔陶瓷体。在一个实施例中，可以在沉积导电多孔陶瓷体18之前在第一电极12上沉积薄的导电半导电陶瓷层。可以使用各种半导电陶瓷材料，包括钛酸钡锶(BST)。也可以使用其它适当的化学成分，包括像Nb205、Ti02、BaCO3和 SrTiO3的材料。其它适当的材料可以包括铌酸铅镁(即I^b3MgNb2O9)、钛酸铅和钙钛矿氧化物。图2示出了具有第一电极12、半导电第一陶瓷层17和半导电多孔陶瓷体18的实施例的简化截面图。应理解未按照比例示出厚度。第一陶瓷层17相对较薄，以1-10微米的厚度沉积于第一电极12上。通常在还原性气氛下将第一陶瓷层17烧结到全密度。可以从各种气体中选择还原性气氛。例如，可以从Ar和吐气体中选择还原性气氛，氢气浓度通常在1-10%之间。可以使用其它气体，例如N2/H2。还原温度通常介于900-1400度C之间。 在峰值温度典型的持续时间通常为5-60分钟。应理解可以利用多种温度分布图。第一陶瓷层17优选在还原烧结处理之后具有高于(或导电性更好)5欧姆-cm的电导率。向第一陶瓷层17上沉积多孔陶瓷体18作为第二陶瓷层。还要理解，可以直接在第一电极12上沉积多孔陶瓷体18。第一陶瓷层17和多孔陶瓷体18都可以利用常规陶瓷沉积技术来沉积，例如丝网印刷、刮片、层压、喷洒或浸涂。在当前的范例中，利用电泳沉积 (EPD)沉积第一陶瓷层17和多孔陶瓷体18。由于第一陶瓷层17在还原性烧结之后是半导电的，所以可以利用EPD技术沉积第二层(例如，形成多孔陶瓷体18)。通常，EPD利用在电场影响下沉积于对电极上的带电颗粒。EPD可以沉积很宽范围的颗粒材料，几乎与其化学成分无关。EPD能够形成独立的主体和层。可以将层形成为微米范围到几mm的厚度。悬浮液中粉末的固体含量、电场强度和时间是控制EPD过程中沉积重量的主要参数。多孔陶瓷体18是从0. 5-5m2/g的大表面面积粉末构造的，例如BET (比表面积分析)。通常在还原性气氛下烧结多孔陶瓷体18，例如上文结合第一陶瓷层公开的还原性气氛。可以使用各种还原温度。通常选择还原温度以维持开孔结构并避免致密化。多孔陶瓷体18在还原之后的厚度通常在10-250微米的范围内。得到的陶瓷体具有孔隙度高达体积的75%的开孔结构。多孔结构可以包括从 0. 1-6微米的各种孔尺寸。优选地，孔尺寸在0.3-3微米范围内。多孔陶瓷体18可以具有各种几何结构，这典型地取决于第一电极12的形状。例如，第一电极12可以是厚度大约为 100微米的矩形。可以从多个角度(例如从两侧)在第一电极12上沉积多孔陶瓷体18。 第一电极可以具有其它几何轮廓，例如梳状和/或简单或包括一个或多个多边形的复杂形状。返回到图1，在多孔陶瓷体18(和第一陶瓷层17，如果有的话)上形成电介质层 22。要指出的是图中示出的附图标记22和18是指同一结构。这是由于在图中难以例示各薄层的缘故。应理解，电介质层17—般覆盖多孔陶瓷体18的自由表面区域。沉积电介质层之后，得到的多孔陶瓷体形状基本保持未变(除了厚度非常小地增加之外)。可以通过包括热氧化或电化学氧化的各种工艺形成电介质层22。在使用热氧化的实施例中，在含氧气氛中将多孔陶瓷体18加热到500-1400°C之间的温度，持续5-120分钟。这样导致了在半导电多孔陶瓷体18 (以及第一陶瓷层17，如果有的话)上形成薄电介质层。在处理期间和/ 或峰值温度下可以使用泵送和清扫周期以确保多孔陶瓷体18的空隙中存在氧气。在使用电化学氧化的实施例中，在一种或多种强碱性溶液(pH大于10)中插入多孔陶瓷体18 (和第一陶瓷层17，如果有的话)。这导致电介质层的形成。例如，溶液可以基于铵，St，BaOH2 (钡，氢氧化锶)，任选与Br、St8 (OH)2结合。将多孔陶瓷体18浸入通常被加热到40-130°C之间温度的溶液中。通常施加阳极化电场，使得在多孔陶瓷体18的自由表面上发生溶解-还原。通常施加2-20V之间的电压，持续时间1-12小时。一旦形成电介质层，就可以利用后期处理来稳定电介质层22 (例如，在氧气氛中加热到250-1200°C )。还可以通过在溶液中溶解诸如Mn、Nb、Mg、Si、Zr、Ti、Bi、Cu、Ag的元素来改变电介质层的特性。这些元素参与电化学形式氧化的层。还可以应用高达1200°C的后处理。例如，可以通过氧化和后期加热处理形成高度稳定的锰层电介质层(MnxOy，χ > 2，y >幻。典型地将电介质层22 (无论是由热氧化还是电化学氧化还是其它工艺形成)形成为厚度在 0. 1-1微米范围内，并具有通常在IO6-IO11欧姆范围内的高绝缘电阻(IR)。一旦被氧化，多孔陶瓷体18(和第一陶瓷层17，如果有的话)通常以500-50000范围内的高介电常数(K) 为特征。使用导电介质16填充多孔陶瓷体18。可以将各种成分用作导电介质，包括导电聚合物PEDT(聚(3，4-乙烯基二氧噻吩))、聚(乙炔)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚苯胺、聚噻吩、聚(P-苯撑硫化物)和聚(副-苯撑亚乙烯基)(PPV)及其可溶解衍生物、聚(3-烷基噻吩)、聚吲哚、聚芘、聚咔唑、聚甘菊环、聚氮杂、聚(芴)和聚萘。在一个实施例中，利用市场上可买到的PEDT合成物(可从Newton，MA的世泰科公司买到的Clevios (PEDT))。通常，导电介质应当有大于100西门子/cm的电导率，优选等于或高于lOOOs/cm。可以通过包括浸涂浸渍的各种工艺涂布导电介质。通常，利用包含导电介质细微分散颗粒(例如纳米尺寸)的稀释混合物浸渍多孔陶瓷体18。通常，导电介质16形成第二电极。然后能够增加后续结构以封装电容器结构并形成适当的安装结构和/或电气端子。在本范例中，导电金属层20封装多孔陶瓷体18(现在涂有电介质层22和导电介质16)并充当第二电极的电气端子。可以使用多种金属。在一个实施例中，使用高导电性银膏。可以通过包括刷涂或浸渍的各种技术涂布金属层。从各种来源可以购得适当金属，包括NC Cary的Lord Corporation,CA Irvine的Emerson and Cumming 以及 Du-Pont。图3示出了根据本发明的另一实施例。可以利用上文结合图1所述的材料和工艺形成图3所示的各层。在这一实施例中，电容器100具有第一电极212，在本范例中包括金属箔。在金属箔212上沉积第一陶瓷层217。在第一陶瓷层217上形成多孔陶瓷体218。应理解，可以直接在第一电极212上形成多孔陶瓷体218。在多孔陶瓷体218上形成电介质层222。导电介质216封装多孔陶瓷体218。导电介质216实质形成了第二电极。适当的导电介质可以包括上文结合图1论述的导电聚合物。要指出的是图中示出的附图标记222、218和216是指同一结构。这是由于在图中难以例示各薄层的缘故。显然，电介质层222 —般覆盖多孔陶瓷体218的自由表面区域。 沉积电介质层之后，得到的多孔陶瓷体形状基本保持未变(除了厚度非常小地增加之外)。 导电介质216然后封装多孔陶瓷体，获得图3所示的大致矩形形状。剩余的结构主要涉及形成电气端子以及封装所得结构。在本范例中，导电聚合物层的至少一部分覆盖在高度导电银膏层260中。第一电引线270电耦合至第一电极212，第二电引线280耦合到银膏层沈0。该结构也由层290封装，层290可以包括各种材料，例如环氧树脂、树脂、聚对亚苯基二甲基或各种已知的模制技术。如下文更详细论述，可以将整个电容器组件附着于安装基板295上。图4示出了诸如典型印刷电路(PC)板的安装基板四5的详细视图。安装基板包括基底部分300，可以使用常规PC板技术制造基底部分。在基板300上形成第一和第二金属化层302、304。第一和第二金属化层302、304 —般间隔开，从而与图3所示的第一和第二电引线270、280对齐。显然，第一和第二金属化层可以耦合到一个或多个电路迹线(未示出)。使用导电胶306将第一和电引线270 J80电耦合到第一和第二金属化层302、304。 可以在设置于第一和第二金属化层302、304之间的区域中使用不导电胶308。一旦将电容器100安装到基板上，就可以接下来使用常规方法进行焊接操作。显然，可以使用各种安装技术而不脱离本发明的范围。图5示出了根据本发明的另一实施例。在这一实施例中，沿着结构边缘设置第一电极512，这与图4公开的在中央设置第一电极212相反。可以利用上文结合图1所述的材料和工艺形成图5所示的各层。在这一实施例中，电容器400具有第一电极512。在金属箔 512上沉积第一陶瓷层517。在第一陶瓷层517上形成多孔陶瓷体518。应理解，可以直接在第一电极512上形成多孔陶瓷体518。在多孔陶瓷体518的自由表面上形成电介质层522。将导电介质516 (例如导电聚合物)灌输到多孔体518的孔中。应指出的是图中示出的附图标记522、518和516是指同一结构。这是由于在图中难以例示各薄层的缘故。应理解，电介质层522 —般覆盖多孔陶瓷体518的自由表面区域。 沉积电介质层之后，得到的多孔陶瓷体形状基本保持未变(除了厚度非常小地增加之外)。 导电介质522然后封装多孔陶瓷体，获得图5所示的大致矩形形状。
层516的典型厚度为1-10微米。完全浸渍多孔陶瓷体518中的所有开孔是优选的，因为这提供了最大电容。导电聚合物优选能够很好粘附到电介质层522上以确保良好的电气性能。绝缘层513设置于第一电极和其余层之间，其耦合到第二电极，以在两个电极之间提供电绝缘。可以将很宽范围的绝缘材料用于这个目的。剩余的结构主要涉及形成第二电极的电气端子以及封装所得结构。将导电金属膏层560(例如银膏)涂布于导电介质516的一部分上。第一电引线570电耦合至第一电极 512，第二电引线580耦合到导电金属膏层560。该结构也由层590封装，层590可以包括各种材料，例如通过各种已知技术涂布的环氧树脂、树脂、聚对亚苯基二甲基。应理解，可以使用各种电气端子和封装技术而不脱离本发明的范围。还应理解，可以向该结构增加额外层而不脱离本发明的范围。图6示出了制造本发明的体电容器方法的一个实施例。如上文一般性论述那样执行图6中阐述的各种工艺步骤。在步骤600中，制备适当的陶瓷材料。然后如方框602所示，将陶瓷颗粒放入适当的悬浮液中用于沉积(例如通过EPD)。如方框604所示，利用常规方法将第一电极(例如科伐箔)形成为期望的几何形状。如方框606所示，然后在第一电极上沉积第一(薄)陶瓷层。然后如方框608所示， 在还原性气氛(例如Ar/H2)下将第一陶瓷层烧结到全密度。还原温度通常介于900-1400 度C之间。在峰值温度典型的持续时间通常为5-60分钟。如方框610所示，接下来在第一陶瓷层上沉积多孔陶瓷体。如方框612所示且如上文一般性论述的，然后在还原性气氛中烧结多孔陶瓷体。可以使用各种还原温度。通常选择还原温度以维持开孔结构并避免致密化。然后如方框614所示，氧化多孔陶瓷体以形成薄电介质层。例如，可以在含氧气氛中将多孔陶瓷体加热到900°C的温度，持续大约5-120分钟。这导致电介质层的形成。在过程期间可以使用泵送和清扫周期以确保多孔陶瓷体的空隙中存在氧气。然后如方框616所示，利用导电介质(例如如上所述的导电聚合物)灌输多孔陶瓷体(现在覆盖在薄电介质层中)。在本范例中，如方框618所示，然后用适当的银化合物 (例如银膏)涂布多孔陶瓷体的至少一部分。如方框620所示，附着形成阳极和阴极的电引线并密封该封装。公开了一种体电容器和制造体电容器的方法。公开的仅仅是示范性的。本发明想到的很多变化、选择和替换方案都落在所主张发明的精神和范围之内。本领域的技术人员将认识到，可以对上述实施例做出多种修改、变化和组合而不脱离本发明的精神和范围，这样的修改、变化和组合被视为在发明创意的范围之内。所附权利要求意在覆盖落在本发明真实精神和范围之内的所有那些变化和修改。
权利要求
1.一种体电容器，包括 由金属箔形成的第一电极，沉积在所述金属箔上的半导电多孔陶瓷体， 形成于所述多孔陶瓷体上的电介质层，以及填充多孔陶瓷体的至少一部分从而形成第二电极的导电介质。
2.根据权利要求1所述的体电容器，还包括封装所述多孔陶瓷体的导电金属层。
3.根据权利要求2所述的体电容器，其中所述导电金属层包括银。
4.根据权利要求1所述的体电容器，还包括设置于所述金属箔和所述多孔陶瓷体之间的半导电陶瓷层。
5.根据权利要求1所述的体电容器，其中所述金属箔具有几何轮廓。
6.根据权利要求1所述的体电容器，其中所述导电介质包括导电聚合物。
7.根据权利要求1所述的体电容器，其中在所述多孔陶瓷体的自由表面上形成电介质层。
8.根据权利要求1所述的体电容器，其中在所述多孔陶瓷体和所述金属箔上形成所述电介质层。
9.根据权利要求1所述的体电容器，还包括耦合到所述第一电极的第一电引线和耦合到所述第二电极的第二电引线，其中所述第一电引线和第二电引线被配置成与位于安装基板上的第一和第二导电焊盘配合。
10.根据权利要求9所述的体电容器，其中所述第一和第二电极通过导电粘合剂结合到所述第一和第二导电焊盘。
11.根据权利要求10所述的体电容器，还包括设置于所述第一和第二电引线之间的不导电粘合剂。
12.一种制造体电容器的方法，所述方法包括在包括金属箔的第一电极上形成导电多孔陶瓷体， 氧化所述多孔陶瓷体以形成电介质层，以及利用导电介质填充所述多孔陶瓷体，从而形成第二电极。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括利用导电金属层封装所述多孔陶瓷体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述导电金属层包括银。
15.根据权利要求12所述的方法还包括，还包括在所述金属箔和所述多孔陶瓷体之间形成半导电陶瓷层。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述金属箔中形成几何轮廓。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，以加热方式执行所述氧化。
18.根据权利要求12所述的方法，其中以电化学方式执行所述氧化。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述导电介质包括导电聚合物。
20.根据权利要求12所述的方法，其中在所述多孔陶瓷体和所述金属箔上形成所述电介质层。
21.根据权利要求12所述的方法，其中第一电引线耦合到所述第一电极，第二电引线耦合到所述第二电极，其中所述第一电引线和第二电引线被配置成与位于安装基板上的第一和第二 导电焊盘配合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一和第二电极通过导电粘合剂结合到所述第一和第二导电焊盘。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在所述第一和第二电引线之间设置不导电粘合剂。
全文摘要
一种体电容器包括由金属箔形成的第一电极(12)以及形成于金属箔上的半导电多孔陶瓷体(18)。例如通过氧化在多孔陶瓷体上形成电介质层(22)。在多孔陶瓷体上沉积导电介质(16)，填充多孔陶瓷体的空隙并形成第二电极。然后可以利用各层封装电容器，且电容器能够包括常规电气端子。一种制造体电容器的方法包括在由金属箔形成的第一电极上形成导电多孔陶瓷体，氧化以形成电介质层并利用导电介质填充多孔体以形成第二电极。还可以在所述金属箔和所述多孔陶瓷体之间沉积薄的半导电陶瓷层。
文档编号H01G9/052GK102177562SQ200980139993
公开日2011年9月7日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月4日
发明者E·别尔莎德斯基, J·巴尔蒂图德, M·克拉夫契克-沃尔夫松, N·科亨, R·卡特拉奥 申请人:维莎斯普拉格公司