专利名称：改进的高压电容器的制作方法
改进的高压电容器
背景技术：
多层陶瓷电容器通常具有交替的陶瓷电介质材料层和导电电极层。可 以使用各种类型的电介质材料，并且已经使用了各种物理构造。利用"串 联设计"生产高压性能的电容器已经很多年了。在串联设计中，在浮置电 极和连接到两侧端子的电极之间存储电荷，如图1针对单个浮置电极的设
计所示。这与图2所示的标准电容器设计相比有所不同，在标准电容器设 计中，电极交替连接到不同的端子，且电荷存储在这些电极之间。这些设
计的电容由下式给出
C = €l06:rAN/T 其中C = 电容，F
Qr 自由空间的介电常数=8.854 X 10"2FnT1
陶瓷材料的介电常数，为取决于材料的无量纲常数 A=电极的有效重叠面积，m2 N=电极数-1
T=分隔各层的陶瓷的烧结后活性厚度
然而，对于串联设计来说，有效重叠面积显著减小。串联设计的优点 是对于单个浮置电极而言作用于电极的内电压减半。可以进一步分隔浮置 电极以便为每层赋予不止一个浮置电极，但这也减小了有效重叠面积，从 而减小了电容。图3示出了 27批外壳尺寸1812MLCC、 47nF士10X标准设 计以及同样批数的外壳尺寸1812、 22nF土10X单浮置电极串联设计的平均 击穿电压(n-50)。在所有这些情况下，分隔电极的烧结活性厚度(fired active thickness)为0.0023"，即58微米，标准设计的总厚度为0.051 ±0.003" (1.30 土0.08mm)，串联电容器的总厚度为0.068±0.003" (1.73土0.08mm)。对于 所有这些1812外壳尺寸的电容器而言，长度和宽度尺寸分别为0.177±0.010" (4.50土0.25mm)和0.126±0,008" (3.20±0.20mm)。分别在图4和 5中示出了 1812标准设计和单电极串联设计的截面。
除了这些MLCC的耐内电压的能力之外，这些部件对来自电容器端子 的弧络(arc-over)有抵抗力也很关键。McLamey的美国专利No.4731697 公开了一种表面电极，其边缘部分被另一电介质层覆盖，以防止需要进行 激光微调的弧络。然而，重要的是要注意暴露的电极会被腐蚀。而且，暴 露电极的特性受环境因素(例如湿度)的影响很大，从而限制可以使用这 些电容器的应用。
Duva的美国专利No.6627509公开了一种通过以下方式制造抗表面闪 络(surface flashover)的电容器的方法向多层陶瓷电容器的表面施加聚对 二甲苯涂层，随后从端子修整过剩材料。在这种情况下，与电容器涂层相 关的成本很高。此外，该涂层可能不和电路板组装工艺兼容，而且在诸如 卫星的一些电子应用中，因为渗气问题而使有机涂层的存在受到限制。
因此，尽管为了制造具有高击穿电压的电容器并使弧络的发生最小化 做出了各种努力，但问题仍然存在。需要一种改进的高压电容器。
发明内容
因此，本发明的主要目的、特征或优点是在目前工艺水平上做出改进。 本发明的另一目的、特征或优点是提供一种抗弧络的多层陶瓷电容器。 本发明的另一目的、特征或优点是提供一种在空气中具有高击穿电压
的多层陶瓷电容器。
本发明的另一目的、特征或优点是提供一种其设计可以维持高电容的
多层陶瓷电容器。
本发明的另一目的、特征或优点是将在把电容器并入到电子电路中时 由于弧络而发生的不希望的破坏降到最小。
本发明的另一目的、特征或优点是提供一种具有耐高压能力、较小外 壳尺寸的电容器，其允许对电路进行微型化。
本发明的另一目的、特征或优点是提供一种改进的电容器，可以方便 和经济地制造所述电容器。
通过以下说明书和权利要求可以使本发明的这些和/或其他目的、特征或优点中的一个或多个变得显而易见。
根据本发明的一个方面，提供一种多层陶瓷电容器组件。该电容器组 件包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成的陶瓷电容器主体。该 电容器组件还包括附着于陶瓷电容器主体的第一和第二外部端子。该电容 器组件还包括陶瓷电容器主体内的多个内部活性电极，以交替方式配置所 述多个内部活性电极，使得所述多个内部活性电极中的第一个从陶瓷电容 器主体的一端向内延伸，并且下一内部活性电极从陶瓷电容器主体的相对 端向内延伸。在陶瓷电容器主体内还有多个内部电极屏蔽，由此有助于提 供对弧络的抵抗力。所述多个内部电极屏蔽包括顶部内部电极屏蔽和相对 的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和所述相对的底部内部 电极屏蔽位于所述多个内部活性电极的相对侧上，并且每个内部电极屏蔽 向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽。还有侧屏蔽。每 个侧屏蔽从电容器主体的一端向内延伸，并且配置所述侧屏蔽以进一步屏 蔽活性电极，由此进一步抵抗活性电极和端子之间的弧络。
根据本发明的另一方面，提供一种用于提供改进的高压特性的多层陶 瓷电容器组件。该电容器包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成 的陶瓷电容器主体。第一和第二外部端子附着于陶瓷电容器主体。所述多 个电极层包括顶层，其具有向内延伸到或延伸超过第一端子的电极屏蔽； 底层，其具有向内延伸到或延伸超过第二端子的电极屏蔽；以及多个交替 的活性电极层，其从陶瓷电容器主体的交替端向内延伸。所述交替的活性 电极层中的每一个还包括侧屏蔽。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造多层陶瓷组件的方法。所述 方法包括由多个电极层和电介质层形成陶瓷电容器主体以及在陶瓷电容器 主体的相对端上附着第一和第二外部端子。所述多个电极层包括活性电极 层和屏蔽电极层，并且其中以交替方式配置所述活性电极层，使得所述多 个活性电极中的第一个从陶瓷电容器主体的一端向内延伸，并且下一内部 活性电极从陶瓷电容器主体的相对端向内延伸。所述屏蔽电极层包括顶部 内部电极屏蔽和相对的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和 所述相对的底部内部电极屏蔽位于所述多个活性电极的相对侧上，并且每 个电极屏蔽向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽。所述活性电极层还包括在所述活性电极的相对侧上的侧屏蔽层，由此提供额外 的屏蔽。
图1是具有单浮置电极的串联电容器设计的截面图2是标准电容器设计的截面图3示出串联和标准电容器设计的平均击穿电压；
图4A示出1812MLCC标准设计的截面照片；
图4B示出1812 MLCC标准设计的端视照片；
图5A是1812 MLCC单浮置电极串联设计的截面照片；
图5B示出1812 MLCC单浮置电极串联设计的端视照片；
图6是根据本发明的若干实施例的电容器设计图7是示出图6的电容器设计的平均电容和尺寸的表格；
图8A是实例l的侧视截面图8B是实例l的端视截面图9A是实例2的侧视截面图9B是实例2的端视截面图10A是实例3的侧视截面图10B是实例3的端视截面图ll示出实例l、 2和3的击穿电压；
图12A是实例1的截面照片；
图12B是实例1的截面的端视照片；
图13A是实例2的截面照片；
图13B是实例2的截面的端视照片；
图14A是实例3的截面照片；
图14B是实例3的截面的端视照片。
具体实施例方式
本发明描述了一种内部电极的新颖布置，该布置获得了空气中的击穿 电压非常高的抗电弧多层陶瓷电容器。此外，这些设计维持了高电容。为帮助描述本发明，描述三种设计中的每一种和MLCC性能，然后参考附图 提供对每个实例的更详细的描述。在以下实例中描述设计和MLCC性能。
实例l
使用生产用MLCC X7R材料系统C-153制造标准外壳尺寸1206电容 器设计。
实例2
利用在顶部和底部上具有屏蔽电极的生产用MLCC X7R材料系统 C-153制造外壳尺寸1206电容器设计。这些屏蔽电极的目的是防止端子和 具有相反极性的内部电极之间或跨在极性相反的端子之间的电容器的顶表 面或底表面上的弧络。因此，在下方的活性电极具有相反极性的情况下， 在外壳中只需要有一个屏蔽电极。然而，在通过屏蔽电容器的顶部和底部 处的两个端子区域来制造具有不同值的电容器期间，不必改变对不同数量 的电极的筛选(screen),从而提高了可制造性。
实例3
利用生产用MLCC X7R材料系统C-153制造外壳尺寸1206电容器设 计，该系统除了顶部和底部上的屏蔽电极之外，还在活性电极的任意一侧 具有侧屏蔽电极。侧屏蔽电极的目的是防止端子和具有相反极性的不同内 部电极层之间或跨在极性相反的端子之间的电容器的侧面上的弧络。至于 顶部和底部侧屏蔽电极，在每一侧上使用两个侧屏蔽电极，但是在具有相 反极性的端子的每一层的侧面仅需要具有一个侧屏蔽电极。每一侧上的两 个侧屏蔽电极容许精确检查电极堆(electrode stack)的对准情况。
图6示出了所有三个实例的设计和电极图案。将多个端子应用于这些 实例，其由厚膜烧结银膏构成，然后用镍随后用锡对这些端子进行过电镀 (overplate)。通过1000VHi-Pot筛选这些部件并进行IR检验。测量平均电 容(n=100)和尺寸(n=5)，如图7所示。
可以看出，对于所有这些实例而言，电极数-1 (N)几乎相同，都是27 ±1。对于全部三个实例而言，分隔各层的陶瓷的烧结活性厚度(T)也是相同的，并且由于使用相同的陶瓷材料系统来制造所有的电容器，因此介
电常数(er)是相同的。因此，影响电容的唯一变量是电极的有效重叠面积
(A)。由于侧屏蔽的存在，这对于实例3而言是较低的。在图12A和12B (实例1)、图13A和13B (实例2)以及图14A和14B (实例3)中示出 了实例1、 2和3的实际截面。
根据EIA198-2-E的方法103，通过施加缓变率(ramprate)为500V/s 的电压，对实例1、 2和3的50个电容器样本进行失效测试。图ll中示出 了结果。用于测试的仪器为Associated Research 7512DTHiPot。图11的数 据表示电介质击穿电压电平，其包括弧络和/或物理破坏。IR测试后，实例 1的部件具有13/50的绝缘电阻(IR)失效，实例2和3分别具有48/50和 50/50的IR失效，表明在实例3中未观察到因弧络造成的失效。同样重要 的是要注意施加电压时弧络的重复发生最终会导致IR失效。
可以清楚地看出，在所提到的实例中，实例3具有〉2.5kV的最高平均 击穿电压。实例3中的1206外壳尺寸的电容器的击穿电压和电容类似于在 现有技术中描述的1812 1000V标称单浮置电极串联电容器。因此，实例3 中描述的电容器允许使处理高压所需的电路显著微型化。
图l示出了现有技术的电容器设计。在图1中，所示的电容器10具有 第一端子12以及位于电容器主体16的相对端上的相对第二端子14。示出 了浮置电极18。图2示出了另一现有技术的电容器设计。在图2中，不是 浮置电极，而是使电极交替布置。图3对串联设计和标准设计进行了比较。 具体而言，图3示出了 27批外壳尺寸1812MLCC、 47nF士 10%标准设计以 及同样批数的外壳尺寸1812、 22nF土10X单浮置电极串联设计的平均击穿 电压(ri=50)。在所有这些情况下，分隔电极的烧结活性厚度为0.0023"， 即58微米，标准设计的总厚度为0.051 ±0.003" (1.30土0.08mm)，串联电 容器的总厚度为0.068土0.003" (1.73士0.08mm)。对于所有这些1812外壳 尺寸的电容器而言，长度和宽度尺寸分别为0.177士0.010" (4.50士0.25mm) 和0.126±0.008"(3.20±0.20腿)。分别在图4A-4B和5A-5B中示出了 1812 标准设计和单电极串联设计的截面。
图6是示出三种不同电容器设计实例的表格。第一实例为用于比较的 标准设计。第二实例是本发明的一个实施例，其中使用了顶部和底部屏蔽。第三实例是本发明的另一实施例，其中使用了顶部和底部屏蔽以及侧屏蔽。
如图6所示，在标准设计中，电容器的烧结活性厚度为0.0020英寸或 51微米。标准设计包括26个活性电极。在顶部/底部屏蔽设计中，电容器 的烧结活性厚度也是0.0020英寸或51微米。顶部/底部屏蔽设计包括27个 活性电极。在顶部/底部和侧屏蔽设计中，烧结活性厚度是0.0020英寸或51 微米。在顶部/底部侧屏蔽设计中，有28个活性电极。
图6还示出了各种设计的电极布局规划。根据标准设计，有第一电极 20和交错的第二电极22。第三电极24与第一电极20对准。第四电极26 与第二电极22对准。这种交替图案继续下去，不断出现额外的交替电极， 直到倒数第二电极N-l和最后一个电极30。
在顶部/底部屏蔽设计中，第一电极层包括第一顶部屏蔽32和第二顶部 屏蔽34以及第一底部屏蔽36和第二底部屏蔽38。特别要注意的是仅第一 顶部屏蔽32和第二底部屏蔽38是活性的一甚至不需要存在其他屏蔽。第 一顶部屏蔽32和第二底部屏蔽38是防止来自极性相反的终端(termination) 的弧络所必需的，而屏蔽34和26是为了制造方便而存在的。
在顶部/底部和侧屏蔽实施例中，有第一顶部屏蔽32和第二顶部屏蔽 34以及第一底部屏蔽36和第二底部屏蔽38。对于每个活性电极，还有侧 屏蔽40、 42、 44、 46、 48、 50、 52、 54、 56、 58、 60、 62、 64、 66、 68和 70。侧屏蔽40、 42、 52、 54、 56、 58、 68和70是保护内部活性电极不受 来自极性相反的端子的弧络影响所必需的，而其他侧屏蔽是为了测试部件 内的电极对准而提供的。
在图8A到10B中进一步示出了图6所示的设计。图8A是实例1 (标 准设计)的截面图，而图8B是实例1的截面端视图。在图8A中，示出了 多层陶瓷电容器组件48，其具有第一端子12和多层陶瓷电容器组件16的 相对端上的第二端子14。以交替的方式配置陶瓷电容器主体的内部活性电 极，使得第一内部活性电极20从陶瓷电容器主体的一端向内朝陶瓷电容器 主体的相对端上的端子延伸。下一个内部活性电极22从陶瓷电容器主体的 相对端向内朝陶瓷主体的相对端上的端子延伸。图8B的端视截面图示出了 电极。
图9A是实例2 (顶部/底部屏蔽)的侧视截面图，而图9B是实例2的截面端视图。在图9A中，示出了多层陶瓷电容器组件50。注意，在陶瓷 电容器主体内存在内部电极屏蔽有助于对端子和内部电极之间的弧络提供 抵抗力。所示的内部电极屏蔽包括顶部内部电极屏蔽32和相对的底部内部 电极屏蔽38。顶部内部电极屏蔽32和相对的底部内部电极屏蔽38位于多 层陶瓷电容器主体16的相对侧上。每个内部电极屏蔽32、 38向内延伸到 或延伸超过相应的端子12、 14，由此提供屏蔽。如前所述，提供额外的结 构34和36，但它们不是必需的，因为由于端子的极性而使它们不提供实际 的屏蔽。包括它们是为了制造过程中的方便。
图10A是实例3 (顶部/底部屏蔽和侧屏蔽)的侧视截面图，而图10B 是实例3的截面端视图。图10A的多层陶瓷电容器不仅包括顶部屏蔽32和 相对的底部屏蔽38，而且还包括侧屏蔽。在示出电容器的截面的图10B中 最好地显示出侧屏蔽。所讨论的侧屏蔽取决于截面的深度，因此所示的侧 屏蔽为40、 42、 48和50。
图7提供了用于将标准设计与根据本发明的两种设计进行比较的表格。 该表示出了图6的电容器设计的平均电容和尺寸。
图ll示出了实例l、 2和3的击穿电压。注意在图ll中，顶部/底部屏 蔽实施例(实例2)提供的击穿电压相对于标准设计(实例l)提高了。顶 部/底部和侧屏蔽实施例(实例3)提供了进一步提高的击穿电压。因此， 可以使用本发明制造击穿电压在IOOOV、 1500V、 2000V、 2500V甚至3000V 以上的多层陶瓷电容器。
因此，公开了一种改进的高压电容器。本发明不限于这里所示的具体 实施例。例如，本发明在所用电介质的类型、所用导体的类型、尺寸、尺 度、封装上构思了很多变化以及其他变化。
权利要求
1、一种多层陶瓷电容器组件，其包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成的陶瓷电容器主体；附着于所述陶瓷电容器主体的第一和第二外部端子；所述陶瓷电容器主体内的多个内部活性电极，以交替方式配置所述多个内部活性电极，使得所述多个内部活性电极中的第一个从所述陶瓷电容器主体的一端向内延伸，并且下一内部活性电极从所述陶瓷电容器主体的相对端向内延伸；所述陶瓷电容器主体内的多个内部电极屏蔽，由此有助于提供对弧络的抵抗力；所述多个内部电极屏蔽包括顶部内部电极屏蔽和相对的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和所述相对的底部内部电极屏蔽位于所述多个内部活性电极的相对侧上，并且每个内部电极屏蔽向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽；所述多个内部电极屏蔽还包括多个侧屏蔽，每个侧屏蔽从所述电容器主体的一端向内延伸，并且所述侧屏蔽被配置成进一步屏蔽活性电极，由此进一步抵抗活性电极和端子之间的弧络。
2、 根据权利要求1所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多个内部活性电极中的每一个从所述陶瓷电容器主体的一端基本延伸到附着于所述陶瓷电容器主体的相对端的外部电极。
3、 根据权利要求1所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于1500伏。
4、 根据权利要求1所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于2000伏。
5、 根据权利要求1所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于2500伏。
6、 根据权利要求1所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于3000伏。
7、 一种用于提供改进的高压特性的多层陶瓷电容器组件，其包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成的陶瓷电容器主体；附着于所述陶瓷电容器主体的第一和第二外部端子；其中所述多个电极层包括顶层，其具有向内延伸到或延伸超过所述第一端子的电极屏蔽；底层，其具有向内延伸到或延伸超过所述第二端子的电极屏蔽；以及多个交替的活性电极层，其从所述陶瓷电容器主体的交替端向内延伸；并且其中所述多个交替的活性电极层中的每一个还包括侧屏蔽。
8、 根据权利要求7所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于1500伏。
9、 根据权利要求7所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于2000伏。
10、 根据权利要求7所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于2500伏。
11、 根据权利要求7所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多层陶瓷电容器的击穿电压大于3000伏。
12、 根据权利要求7所述的多层陶瓷电容器组件，其中确定所述陶瓷电容器主体的尺寸以使其安装在外壳尺寸1206封装之内。
13、 一种制造多层陶瓷组件的方法，其包括由多个电极层和电介质层形成陶瓷电容器主体；在所述陶瓷电容器主体的相对端上附着第一和第二外部端子；其中所述多个电极层包括活性电极层和屏蔽电极层，并且其中以交替方式配置所述活性电极层，使得所述多个活性电极中的第一个从所述陶瓷电容器主体的一端向内延伸，并且下一内部活性电极从所述陶瓷电容器主体的相对端向内延伸；其中所述屏蔽电极层包括顶部内部电极屏蔽和相对的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和所述相对的底部内部电极屏蔽位于所述多个内部活性电极的相对侧上，且每个电极屏蔽向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽；其中所述活性电极层还包括在所述活性电极的相对侧上的侧屏蔽层，由此提供额外的屏蔽。
14、 一种多层陶瓷电容器组件，其包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成的陶瓷电容器主体；附着于所述陶瓷电容器主体的第一和第二外部端子；所述陶瓷电容器主体内的多个内部活性电极，以交替方式配置所述多个内部活性电极，使得所述多个内部活性电极中的第一个从所述陶瓷电容器主体的一端向内延伸，并且下一内部活性电极从所述陶瓷电容器主体的相对端向内延伸；所述陶瓷电容器主体内的多个内部电极屏蔽，由此有助于提供对弧络的抵抗力；所述多个内部电极屏蔽包括多个侧屏蔽，每个侧屏蔽从所述电容器主体的一端向内延伸，并且所述侧屏蔽被配置成屏蔽相应的活性电极，由此抵抗活性电极和端子之间的弧络。
15、 根据权利要求14所述的多层陶瓷电容器组件，其中所述多个内部电极屏蔽还包括顶部内部电极屏蔽和相对的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和所述相对的底部内部电极屏蔽位于所述多个内部活性电极的相对侧上，并且每个内部电极屏蔽向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽。
16、 一种制造多层陶瓷组件的方法，其包括由多个电极层和电介质层形成陶瓷电容器主体；在所述陶瓷电容器主体的相对端上附着第一和第二外部端子；其中所述多个电极层包括活性电极层和屏蔽电极层，并且其中以交替方式配置所述活性电极层，使得所述多个活性电极中的第一个从所述陶瓷电容器主体的一端向内延伸，并且下一内部活性电极从所述陶瓷电容器主体的相对端向内延伸；其中所述活性电极层还包括在所述活性电极的相对侧上的侧屏蔽层，由此提供屏蔽。
全文摘要
一种电容器包括具有相对端并由多个电极层和电介质层构成的陶瓷电容器主体以及附着于所述陶瓷电容器主体的第一和第二外部端子。以交替方式配置所述陶瓷电容器主体内的内部活性电极。使用所述陶瓷电容器主体内的内部电极屏蔽，以有助于提供对弧络的抵抗力。所述屏蔽可以包括顶部内部电极屏蔽和相对的底部内部电极屏蔽，其中所述顶部内部电极屏蔽和所述相对的底部内部电极屏蔽位于多个内部活性电极的相对侧上，并且每个内部电极屏蔽向内延伸到或延伸超过相应的外部端子，由此提供屏蔽。使用侧屏蔽。所述电容器提高了对弧络的抵抗力，在空气中具有高击穿电压，并且允许小的外壳尺寸。
文档编号H01G4/06GK101523528SQ200680046116
公开日2009年9月2日 申请日期2006年6月15日 优先权日2006年2月22日
发明者J·巴尔蒂图德, J·江, J·罗杰斯 申请人:维莎斯普拉格公司