具有三维高比表面积电极的电容器和制造方法

专利名称：具有三维高比表面积电极的电容器和制造方法
具有三维高比表面积电极的电容器和制造方法相关申请的交叉引用对分别在2009年12月16日和2010年3月15日提交并分配了申请序列号61/287，135 和 61/313，810 的标题均为“THREE DIMENSIONAL CAPACITOR” 的两个美国临时申请的每一个都要求按照35U.S.C. § 119(e)的优先权。这些申请的全部内容都在此引用作为参考。
背景技术：
电容器是具有电容即存储电荷能力的主要电性质的任何装置。在电子学领域中，电容器存储电荷的能力可用于控制电流的流动。不仅如此，为了过滤电信号的目的在电路中可以采用电容器；例如，在收音机或电视接收机的调谐电路中可以使用具有可变电容的电容器。变化的电容改变了调谐器电路的谐振频率，使得它与期望电台或频道的频率匹配，滤掉一切不需要的频率的信号。 最简单的电容器将包括两块导电材料板，由绝缘体(也称为电介质)将其彼此分开，其中每块板都连接到某端子。当跨未充电电容器的端子施加电压时，电荷流向每块板(正电荷流向阳极板而负电荷流向阴极板)，但是不穿过夹在其间的绝缘体。随着相反电荷在导电阳极和阴极板上增加，在其间电介质上的力也增大，从而引起跨电介质的电场增大。这种现象弓I起随板上电荷按比例升高的电压。每块板上电荷大小与板间电势(电压)的比值是上述的电容，并且近似于对电容器充电所用的外部施加的电压源。当这两个电压具有相同大小时(电压源和电容器)，电流便停止流动并且认为该电容器已充电。已充电的电容器随后被放电，方式为经过被施加的电负载而降低外部电压，从而当产生的电流使电荷快速流出板时导致跨板的电压降低。有许多类型的电容器，每一种的结构和材料组合都不同，但是以上解释的物理原理本质上对所有类型是相同的。常见的电容器类型采用陶瓷做电介质层，并且可以采取或者圆柱结构，其中陶瓷材料的空心圆柱体在其内外表面上衬着导电金属薄膜，或者扁平、平行极板结构，其中多个陶瓷板和导电材料交错，以创建夹层的“电极-电介质-电极”布局。对于由所谓的平行板结构所组成的电容器，制造过程相当简单。在两个导电电极层之间夹入一层电介质，其中最终平行板电容器的电容是电极板覆盖面积、电介质层厚度和电介质介电常数的函数。多层陶瓷电容器(MLCC)是具有多个堆叠的“电极-电介质-电极”布局(EDE)的平行板电容器，每一个布局都可以形成三层结构。通过许多平行板的并联，可以显著地增加MLCC的电容。非常简单，更多堆叠的布局增加了电容并形成MLCC。类似地，各个电容器也能够串联连接，本质上在更大的表面积上分布以上介绍的MLCC，与更多的顶部空间相反。优于高度堆叠的MLCC的串联连接的电容器的优点在于，本领域公知串联布局展现了更好的抗电压击穿(随着给定电容器上电荷和电压的增加，在某个点电介质将不再能够使电荷彼此隔离，随后在某些区域中展现电介质击穿，或高导电性，其趋向于降低存储的能量和电荷,产生内部热量)。
返回为了制造典型的MLCC所采用的制造方法，可以通过在导电板的交替对之间涂布电介质浆料(比如陶瓷基)浆料制造电容器。不过，制造MLCC已经广泛地转变为使用导电油墨或糊料(包括导电材料(比如例如银)的油墨或糊料)代替板；这种油墨或糊料可以被丝网印刷在先前已涂布在载体聚合物膜上的电介质浆料的“生瓷带(green tape ) ”之上。与以上已经所介绍的内容一致，许多层交错的电介质带和电极涂布能够被堆叠和层压在一起形成最终的MLCC产品。可实现具有约500至约1000层的多层陶瓷电容器，其中电介质层厚度往往小于约I微米。减小MLCC的层厚度与保留的顶部空间直接相关，不过，往往受到重视的不是顶部空间。在现实中，容纳无源电气组件(比如MLCC)所要求的整体表面积表示电路中有价值的不动产。使用表面安装技术时为了减少无源组件占用的空间，0402尺寸(大约O. 04英寸长大约O. 02英寸宽)成为最流行的势头越来越大，甚至0201 (大约O. 02英寸长大约O. 01英 寸宽)也能够可靠地生产。一般来说，当保持电容不变时，MLCC越小越好。不过，简单地减少面积占用和增加层数是有限度的，因为电介质和电极层厚度的持续减小可能产生制造问题。所以，需要提供替代方法使缩小陶瓷电容器的尺寸并增加其电容密度的趋势延续。

发明内容
现在公开的实施例以及其特征和方面针对提供具有由增加电极表面的有效面积引起的改进的电容效率的电容器和制造方法。更确切地说，利用在与电介质界面点处具有三维方面的电极层，使得电极的若干部位延伸或突出到所述电介质层中，可以构造改进的“三维”电容器。有利地，与本领域公知的当前电容器设计相比时，三维电容器的实施例显著减小了在电路中容纳所述电容器需要的空间占用，因为能够实现电容增加而无须在不断增长的堆叠中增加附加的“电极-电介质-电极”三层布局或把多个电容器串联串在一起。值得注意的是，本说明书中介绍的或加入的示范三维电容器一般针对由陶瓷基电介质组成的电容器，不过应当理解，本公开不限于包括陶瓷基电介质的电容器。也就是说，预期三维电容器的若干特征和方面以及多种制造方法能够在未必包括陶瓷组件的三维电容器中采用，并且因此，本公开将不被解释为使得三维电容器的范围限于陶瓷电容器的领域。代替简单地堆叠更多的板，电容器的电容效率能够经由修改三维电容器中各个导电板几何形状和电介质的性质而增加。更确切地说，因为通过与电介质层接触的起伏、突出、扩展或其他方面，电极板的表面积可以增大，所以能够实现带电粒子数量的增加，从而增加所述三维电容器的电容而不增加电路中容纳所述电容器所需要的整体空间占用。附图简要说明图I至图2共同展示了修改后的制造过程，其可以被用于产生具有EDE三层的三维多层陶瓷电容器。图3展示了形成三维电容器的一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中三维结构由电介质微粒上的导电涂层形成。图4展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE层的剖面图，其中三维结构由混合入被涂布的电介质微粒的电介质浆料中的金属颗粒形成。
图5展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中金属颗粒被注入到电介质生瓷带中。图6展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中金属颗粒被注入到电介质生瓷带中，并且该导体板包括与该电介质层邻近的一层低熔点的电极材料。图7展示了可以形成三维电容器 的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中涂布金属的微粒被用于创建导电层，其间夹有电介质层。图8展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中涂布金属的陶瓷层在电介质层与电极层之间形成。图9展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中三维结构从主导电层垂直地突出到电介质层中。

图10展示了可以形成三维电容器的另一个示范实施例的单一 EDE三层的剖面图，其中三维结构从主导电层突出到电介质层中。
具体实施例方式现在公开的实施例以及其特征和方面针对提供由增加电极表面的有效面积引起的改进电容效率的电容器和制造方法。更确切地说，利用在与电介质界面点处具有三维特征的电极层可以构造改进的“三维”电容器。有利地，与本领域的普通技术人员公知的当前电容器设计相比时，三维电容器的实施例显著减小了在电路中容纳所述电容器需要的空间占用。能够实现电容密度增加而不一定要求高k (高常数)电介质材料，在不断增长的堆叠中附加的“电极-电介质-电极”布局，或把多个电容器串联串在一起。本文在陶瓷基电容器的语境中公开了三维电容器的示范实施例，不过，本领域的普通技术人员将理解，三维电容器的各种实施例可以未必包括陶瓷基组件，因此，本公开的范围将不限于陶瓷基实施例。不仅如此，所公开实施例的电介质、阳极和阴极层本文有时可以一般地称为“板”或“层”。不过，本公开不应当被解释为使得在三维电容器的全部实施例中导电或电介质层都必须是“刚性”或“硬”的板。相反，在正传达的特定示范实施例语境中所采用的术语“板”将被理解为包括任何组件层或其创建方法，包括刚性板或从油墨、糊料的涂敷、可变形体的机制等产生的板。也就是说，应当理解，术语“板”仅仅指三维电容器内的特定层，这样的层仅仅受限于可以相对于与之相关联的示范实施例公开介绍的特征和方面。一般来说，提供本公开中介绍的特定实施例仅仅为了展示目的，而不应当被解释为限制三维电容器的范围。不仅如此，虽然三维电容器的各种实施例可以利用不同的组件或材料选择，但是相对于本公开中展示性实施例介绍的示范材料不意味着在三维电容器内可以包括的材料或组件的广泛列表。用于创建三维电容器的材料，并且特别地，三维电容器的若干特征，比如阳极层、阴极层、端子、导电突出、电介质或“生瓷带”层，根据实施例有变化，并且尽管也许用于产生一定实施例的新颖特征或方面，但是将不限制本公开的范围。给定三维电容器的各种组件或特征的材料选择包括但是不限于对于电极一银(大约100%的重量百分比)、银钯合金(比如大约95%Ag与大约5%钯的重量百分比)、钮，以及其他贵金属，比如但是不限于金、钼、铱及其合金，以及难熔金属，比如但是不限于钨、钥、钽、铌、铪和铼，以及贱金属，比如但是不限于镍、镍合金、铜和铜合金；对于电介质层陶瓷和玻璃陶瓷、涂布贵金属的陶瓷(比如但是不限于涂银陶瓷、涂钯陶瓷、涂银钯陶瓷等，以及涂银的配方钛酸钡基电介质、涂银玻璃珠)以及无机氧化物(比如但是不限于氧化铝和氧化钽)。现在转向附图，其中全部附图从始至终相同的引用号表示相同的要素，示范三维电容器和制造方法的各种方面、特征和实施例将更详细地呈现。通过解释提供了在附图和详细说明中阐述的实例，并且不意味着限制三维电容器的范围、制造三维电容器的方法或者在三维电容器内可以被包括的特定结构材料。从而三维电 容器包括以下实例的在附带的权利要求书及其等效内容范围内的任何修改和变种，正如本领域的普通技术人员所理解。根据三维电容器的示范实施例，通过在电介质层中使用涂金属的陶瓷颗粒代替无涂层的陶瓷颗粒，能够使用修改后的制造过程创建三维电容器的实施例。涂层电介质材料选择可以与改进的制造方法合并以便实施三维电容器的实施例。三维电容器的某些实施例包括多层陶瓷电容器(MLCC)等，所以应当理解，在本公开中介绍和描述的三维电容器的许多实施例意在仅仅表不单一“电极-电介质-电极”布局(EDE)，它可以表示MLCC内的单一三层。图I至图2共同展示了可以用于产生具有根据本发明的示范实施例的EDE三层的MLCC的一个示范制造过程100。参考图1，在MLCC的制造过程中，陶瓷粉末205被混入(步骤105)载体中以形成陶瓷浆料210，载体比如但是不限于可以包含溶剂、聚合体树脂和添加剂(比如分散剂)的化合物。陶瓷浆料210用于在过程的流延成型步骤110中成型“生瓷带”215。生瓷带215已经由陶瓷粉浆料制成后，将最终用作电容器的电介质层。尽管以上介绍的示范生瓷带由陶瓷浆料形成，但是应当理解，本发明的实施例可以包括除陶瓷以外或作为其补充的材料所制成的生瓷带组件，比如但是不限于配方钛酸钡基电介质、玻璃陶瓷(比如但是不限于低温共烧陶瓷中所用的Ca-B-Si-O系玻璃陶瓷和高温共烧陶瓷中所用的氧化铝玻璃陶瓷)、以及各种涂金属陶瓷以及无机氧化物和化合物。用于涂布和混合的金属能够包括但是不限于银钯合金(比如按银钯重量成分的百分比在大约95%Ag和大约5%Pd的范围，更优选情况下大约90%Ag和大约10%Pd，以及最优选情况下大约70%Ag和大约30%Pd)以及钯、钯合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金和其他贵金属及其相应的合金，比如铱、铑、钌，以及贱金属，比如但是不限于铜、镍、铁、钴、猛、钛、锌，以及难熔金属，比如但是不限于钨、钥、锆、钽和铌。使用机械辊子还可以制作生瓷带的表面纹理。例如，在生瓷带的顶部滚动后，就可以将辊子上的纹理传递到生瓷带上。一旦成型，之后生瓷带215便在示范过程中前进，在步骤120进行丝网印刷。在步骤120的丝网印刷之前，电极金属粉末220与载体化合物混合(步骤115)以形成电极油墨225。电极油墨225被丝网印刷(步骤120)在生瓷带215上，以形成最终MLCC的单一电介质-导电体双层。随着步骤105到120的重复，在步骤125堆叠多个丝网印刷的生瓷带薄片230，每片都包括单一电介质-导电双层，使得经由丝网印刷的导电层与随后薄片的生瓷带底面的重复并置而创建EDE三层。从步骤125产生的堆叠在层压过程中在步骤130被层压在一起。然后在步骤135将所得到的层压的堆叠235转换为由多个交错EDE三层组成的各个生瓷芯片(ceramic green chip) 240。
在图2中，过程100继续，其中在步骤140各个生瓷芯片240被暴露于烧制过程。在烧制过程(步骤140)中，生瓷芯片240可以被送过带式炉等，使前述浆料中的有机物被除去，从而将生瓷芯片240烧结为由EDE三层组成的陶瓷电容器芯片245。在步骤150，烧结的陶瓷电容器芯片245然后可以通过浸入从导电金属粉255混合(步骤145)的端接油墨250中在两端都敷金属。端接敷金属在交替导电极板(阳极到阳极以及阴极到阴极)之间以及用于电路板应用的电气接触点之间提供了内部连接。端接的芯片260然后在端接烧制过程的步骤155中被再次干燥和烧制以变成MLCC265。最后，在步骤160，在电镀过程中可以对MLCC 265应用镀锡，以便保护端接敷金属并提供焊接便利。正如本制造领域的普通技术人员公知，MLCC 265然后可以在步骤165经历测试过程，以便先进行质量控制再使用在电路中(步骤170)。与独特组件选择相结合的修改的制造过程通过使用涂金属的陶瓷颗粒代替以上介绍的示范无涂层陶瓷粉末205，修改后的 陶瓷电容器制造过程100可以用于创建三维电容器实施例。在三维MLCC的各种实施例中，利用了涂金属的陶瓷粉末，特征是连续的微粒涂层，比如但是不限于涂银电介质。正如本文所述，涂银玻璃珠可购自罗得岛州Woonsocket的Technic公司和宾夕法尼亚州Malvern的Potters Industries公司。典型情况下，涂金属陶瓷粉末的金属涂层与可以用于创建电极层的导电粉末一致，比如但是不限于，在贵金属MLCC情况下的银或银钯合金，以及在贱金属MLCC情况下的镍或镍合金。在其他实施例中，能够使用具有不一致、有缺陷涂层的涂金属陶瓷粉末。不仅如此，尽管在粉末被加入到给定三维电容器实施例以前，在某些涂金属陶瓷粉末中微粒涂层本质上一致，但是在涂层连续性方面的缺陷在将涂金属陶瓷微粒混入糊料中的过程期间可能发生。无论有涂层的微粒是有连续的、一致的涂层还是不一致的缺陷涂层的特征，有涂层的微粒都可以用于高效地形成三维电容器实施例的电介质层。有利地，因为金属涂层与陶瓷微粒基底之间的固有表面张力，作为暴露于烧结温度的结果，可能出现金属涂层的不连续。本领域的普通人员将理解，涂金属的微粒暴露于给定烧结温度可能导致金属涂层从微粒中流动并在邻近微粒之间的空隙聚集。已经从电介质微粒表面流动的金属涂层的聚集结果可以沉淀到并列的电介质微粒之间的空洞中，并且同时接触MLCC内的阳极或阴极层，从而有效产生了阳极或阴极层的导电扩展，基本上从电极层垂直地突出到电介质层中。值得注意并且有利地，聚集的金属涂层的多个突出用于增加MLCC的电容密度而没有扩大MLCC的整体空间占用，由于增加表面积可归因于导电层。由金属涂层的某些聚集可以产生的突出厚度，在烧结之后被认为在整个颗粒厚度的1%与90%之间，范围在O. 001微米与10微米之间。本领域的普通技术人员将认识到，能够改变(leverage)各种制造和材料参数以便控制导电涂层从涂层电介质微粒的流动和聚集，所以，即使特定的过程参数设置组合或材料特征可能是新颖的，或者呈现了新颖的结果，过程参数设置或材料特征的变化将不限制本公开的范围。可以被改变以影响金属涂层从涂金属微粒的流动和聚集的制造参数和材料特征包括但是不限于，金属涂层百分比、电介质层的厚度、烧结温度和烧结时间。三维电容器的某些实施例可以改变由核壳陶瓷颗粒组成的电介质材料选择。核壳陶瓷颗粒中的核可以具有BaTi03的成分，而壳可以富有掺杂剂以便修改电容的温度系数。成分分布(核壳结构)可以在需要的温度范围内提供一致的介电常数。图3展示了可以形成三维电容器的一个示范实施例的单一 EDE三层300的剖面图，其中三维结构(突出)从电介质微粒上的导电涂层形成。电介质层305可以包括例如涂金属的陶瓷颗粒315，其中陶瓷微粒上的导电金属涂层可以包括但是不限于银钯合金、钯、钯合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金等。作为可以在电介质微粒上包括银钯涂层的实施例的非限制实例，银钯涂层重量成分的百分比可以在大约95%Ag和大约5%Pd的范围，更优选情况下大约90%Ag和大约10%Pd以及最优选情况下大约70%Ag和大约30%Pd。在某些实施例中使用的电介质微粒上的导电金属涂层可以包括其他贵金属及其相应的合金，比如但是不限于铱、铑和钌。此外，某些实施例可以包括的微粒具有包含贱金属的金属涂层，比如但是不限于铜、镍、铁、钴、锰、钛、锌。另外，预想了再其他的实施例可以包括涂有难熔金属的电介质微粒，比如但是不限于钨、钥、锆、钽和铌。不仅如此，尽管示范电介质层305被介绍为由有涂层的陶瓷微粒组成，但是也预想了层305中有涂层颗粒的电介质部分可以由陶瓷以外的电介质物质组成，比如但是不限 于陶瓷和玻璃陶瓷、涂贵金属的陶瓷(比如但是不限于涂银陶瓷、涂钯陶瓷、涂银钯陶瓷等，以及涂银配方钛酸钡基电介质、涂银玻璃珠)以及无机氧化物(比如但是不限于氧化铝和氧化钽)。同样，虽然陶瓷颗粒315上的金属涂层320在创建电介质生薄片以前可能基本上均匀(未显示)，但是有利地，金属涂层320在烧结之后变得不连续。电介质层305被描述为位于两个电极板310A、310C之间的整个陶瓷颗粒层315。值得注意的是，虽然板310A在图3展示中已经被指定为表示阳极板，而板310C为阴极板，但是本领域的普通技术人员将理解，任一导电极板310都可以在应用可能需要时用作充电电容器中的阳极或阴极。典型情况下，电介质层305的陶瓷颗粒尺寸范围从大约O. 01至大约10微米，但是其他电介质颗粒尺寸范围也是可能的，正如本领域的普通技术人员所理解。正如以上解释，在陶瓷芯片烧结后金属涂层320中的不连续性主要是由于涂层电介质颗粒315的不同材料之间的表面张力，比如但是不限于金属和陶瓷。一般来说，在达到了烧结温度后，温度使金属涂层320流动并聚集到电介质陶瓷颗粒315之间的空腔325中。有利地，从熔化的微粒涂层得到的聚集金属320将冷却以形成多个三维结构或突出320，从阳极310A或者阴极310C板基本上垂直向下穿过电介质层延伸或突出。由导电材料组成的三维结构320中，许多都可以形成与EDE三层300的阳极310A或者阴极310C板的界面结构330。本领域的普通技术人员将理解，可归因于导电极板310A、310C的整个表面积可以有效地增大，而电介质材料全部散布在电介质微粒315之间，从而增大了电容器300的整体电容密度。作为电容密度增大的非限制实例，三维电容器的实施例已经被估计为具有增大的容量密度，高于传统的电容器设计大约十(10)倍至大约一千(1000)倍之间不等。即使这样，容量密度增大的以上范围仅仅为了示范目的提供，而将不会是本公开范围的限制因素。本领域的普通技术人员将认识到，有利地，与在电路中需要等效或几乎等效的空间占用的其他电容设计相比，给定三维电容器的实施例可以具有增大的容量密度。重要的是，本领域的普通技术人员将理解，预想了基本上垂直于电介质层305和导电层310以外的角度，作为电介质微粒涂层315聚集的结果，因此，三维结构330基本上垂直于各种层的以上描述将不限制三维电容器300的范围。所形成的三维结构315、320都增大了可归因于给定导电板的整体表面积，并且本质上同样形成了给定EDE三层300之内的多个小的微电容器的三层布局。为了创建三维电容器315，比如以上介绍的示范实施例，适于在电介质层305中使用的涂金属陶瓷粉末能够商业地生产。创新的电容器结构可以包括各种电介质微粒材料和涂层组合，尽管一定的组合可以优于其他组合。不仅如此，本领域的普通技术人员将认识至IJ，多个参数可以用于控制三维电容器中的三维结构的若干方面和特征，比如但是不限于金属涂层百分比的选择、烧结温度和烧结时间。图4展示了形成三维电容器的一个示范实施例的单一 EDE层400的剖面图，其中三维结构由混合入电介质颗粒或被涂布电介质颗粒的电介质浆料中的金属微粒421形成。与以上介绍的过程100的步骤120 —致，电极板410A、410C被印刷在生瓷带215、405上，其中生瓷带215、405不是由纯电介质浆料210制成，而是由金属微粒421与电介质颗粒或涂金属的电介质微粒415的混合物制成。正如以上关于图3实施例的介绍，预想了涂金属的电介质微粒可以由导电涂层和电介质微粒的任何组合构成，因此应当理解，本文提供的特 定微粒和导电涂层材料选择和组合是为了展示目的，将不限制本公开的范围。同样，预想了金属微粒421可以由任何适合的导电材料组成，包括但是不限于银、银钯合金、镍、镍合金、铜、铜合金等。作为与金属微粒421机械混合的结果，电介质微粒415的金属涂层可以不连续，不过在烧结后，该涂层一般将流动和聚集，使得基本上垂直于电介质层地形成三维结构或突出420，某些形成在与顶电极的界面430A上，而某些形成在界面430B上并被连接到底电极，其中到处都聚集着金属微粒421。图3展示的三维电容器层的制造实质上等效于关于过程100的介绍。同样为了制造图3展示的示范实施例的三维电容器，通常对连同图I至图2介绍的制造过程进行若干修改。尤其在步骤105，如果在MLCC生产中使用涂金属的电介质315代替陶瓷电介质粉末205，则最终的三维电容器将具有与图3实施例类似的结构。同样，如果插入导电微粒421与电介质颗粒或有涂层电介质微粒415的机械混合物代替粉末205，所得到的三维电容器将具有与图4实施例类似的结构。独特组件诜择和附加制造步骤通过加入附加制造步骤以容纳各种新颖的组件选择，独特的陶瓷电容器制造过程100可以用于创建三维电容器。图5展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层500的剖面图，其中金属颗粒521被注入到电介质生瓷带215、505中。包含细微粒的金属粉末可以制成浆料并且涂敷到关于过程100介绍的电介质生瓷带215的表面，迫使金属颗粒521进入到电介质微粒515之间的空隙。类似于关于图3和图4实施例已经介绍的，预想金属微粒521可以由任何适合的导电材料组成，包括但是不限于银、银钯合金、镍、镍合金、铜、铜合金等。因此应当理解，金属微粒材料选择对本领域的普通技术人员是容易想到的并且将不限制本公开的范围。实质上，细颗粒金属浆料的涂敷使金属颗粒521穿透电介质带215、505的“微孔”，从而潜在地聚集以创建突出522，它们形成与极板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归因于导电板510A、510C的表面积。返回参考过程100，在步骤110后、丝网印刷步骤120前可以添加附加步骤，使得在电极丝网印刷步骤120中印刷电极油墨510A、510B前，能够向电介质带215涂敷包含合适细小尺寸金属微粒521的浆料沉积。图6展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层600的剖面图，其中金属颗粒621被注入到电介质生瓷带215、605中，并且该导体板包括与电介质层605邻近的一层低熔点的电极材料。类似于图5的实施例，图6展示了通过邻近电介质层605的低熔点金属导体611A、611C的扩散(低熔点是相对于主导体板610A、610C所用材料的熔点)，所形成的电极结构。例如，在大约95%Ag/5%Pd (银/钯合金)的上电极层610A、610C之下使用100%的银电极611A、611C，可以增加在烧结步骤140期间流入到电介质微粒615之间空洞中的金属，从而创建与可选的注入金属微粒621相关联的三维结构或突出622。值得注意的是，虽然图6展示描绘了低熔点导体层611A、611C和注入的金属微粒621都包括的实施例，但是应当理解，类似的实施例可以不包括注入的微粒621，因为低熔点材料在烧结时流入到电介质微粒615之间的空隙时，可以适宜地产生导电突出。 类似于关于图3和图4实施例已经介绍的，预想金属微粒621可以由任何适宜的导电材料组成，包括但是不限于银、银钯合金、镍、镍合金、铜、铜合金等。因此应当理解，金属微粒材料选择对本领域的普通技术人员是容易想到的并且将不限制本公开的范围。重要的是，本领域的普通技术人员还将认识到，类似于示范的图6实施例的实施例可以要求低熔点导体层被放置在主导体之上，使得主导体与电介质并列。返回参考过程100，在丝网印刷步骤120内可以添加附加步骤，使得低熔点电极糊料在同一步骤中印刷，但是先于主电极610的印刷。关于图3至图6已经介绍和描述的三维电容器的示范实施例利用了主要由导电微粒或刚性板组成的电极层，比如但是不限于银、银钯合金、镍、镍合金、铜或铜合金。不过，三维电容器的其他实施例利用包括涂金属的非导电材料的阳极层和阴极层，比如但是不限于涂银陶瓷微粒或导电涂层和非导电材料的任何组合。不仅如此，在对于三维电容器导电层采用涂金属的非导电材料的这样的实施例中，可归因于非导电材料的导电层，或者作为替代，导电涂层中的特定重量百分比可以根据实施例变化并且其范围能够从大约1%到大约90%。有利地，这样的实施例除了提供三维结构的各种益处外，还可以实现优于传统电容器布局的成本节省。图7展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层700的剖面图，其中涂布金属的微粒720被用于创建导电层710A、710C，其间夹有电介质层705。在示范的图7实施例中，在丝网印刷步骤120涂敷在生瓷带705上的电极油墨225可以包括导电涂层微粒，比如但是不限于涂金属的陶瓷粉末以及本领域的普通技术人员容易想到的任何其他微粒与涂层组合。有利地，在步骤140暴露于烧结温度时，由电极层710中的熔化的微粒涂层的聚集产生三维金属网络720时，功能电极层710由油墨形成。重要的是，在某些实施例中，电极层710中的三维金属网络720也可以通过机械地混合电极与电介质实现。图8展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层800的剖面图，其中涂金属的陶瓷层811A、811C在电介质层805与电极层810A、810C之间形成。在这个示范实施例中电介质层805可以由电介质材料形成，比如例如标准的无涂层陶瓷。涂金属的陶瓷层811形成网络820，并且被电气连接到相应的电极层810。类似于关于图6的三维电容器实施例所介绍的低熔点导电层，涂金属的陶瓷层811能够在步骤120使用包含涂金属陶瓷颗粒的油墨印刷，再印刷标准的电极810A、810C (作为替代，在某些实施例中有可能在涂金属的陶瓷微粒层之前印刷标准的电极层)。在图3至图8已经介绍和描述的三维电容器的示范实施例，是由电介质微粒上导电涂层的受控流动和/或导电颗粒的注入所形成的实施例。具有机械转换步骤和/或预设计板几何结构的制造过程利用设计的导体/电介质几何结构和/或机械转换技术，三维电容器的某些实施例具有基本上垂直于电介质层定位的三维结 构。图9展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层900的剖面图，其中三维结构(即突出)920从阳极910A和阴极910C层垂直地突出到电介质905中。两个电极910由电介质层905分开。在不范的图9实施例中电介质层905可以由常规的电介质材料形成，比如但是不限于标准的无涂层陶瓷，不过，预想在多个实施例中可以使用类似于以上介绍的有涂层微粒。通过本领域的普通技术人员理解的任何适宜的机械设备或钻孔方法，在电介质905中创建容纳电极突出920的“缝隙”或“钻孔”。然后通过以导电材料填充缝隙，创建基本上垂直的三维电极延伸或手指状突出920。电极突出920在连接到其相应的电极910A、910C后，在主电容器900内阳极和阴极突出920对之间的堆叠区域921创建附加的电容器布局。与以上介绍的实施例一致，电极延伸920连同主电极板910作用以增大电极层的有效表面积，从而改进包括这样的三层900的电容器的电容密度。在图9中，缝隙和对应的电极突出920被描绘为垂直于横断面。不过应当理解，突出920可以平行于横断面以便利用边缘敷金属和端接技术提供电气连接到主导体板之一的电极延伸920，即使未显示这样的设计。适于创建缝隙的方法可以包括但是不限于激光钻孔、机械冲孔等。适于充填这些缝隙以创建电极突出的方法可以包括但是不限于在电介质带上印刷电极油墨以填充缝隙，或者印刷电介质油墨以填充变更的缝隙，以便使给定电极920与给定导体层910隔离。预想经由用照相平版印刷技术或压印印刷技术也能够完成该图案模式。为了产生三维电容器实施例的在电介质中改变孔的其他方法是本领域的普通技术人员容易想到的，因此，附图中描绘的和本文介绍的特定示范实施例将不限制本公开的范围，正如本领域的普通技术人员所理解。关于图9中描述的示范实施例以及类似的实施例，对于本领域的普通技术人员应当显而易见，图案密度因此电容受限于形成缝隙的机械装置以及填充缝隙的印刷装置的分辨率。图10展示了可以形成三维电容器的示范实施例的单一 EDE三层1000的剖面图，其中三维结构(或突出)1020从主导体层突出到电介质层1005中。类似于先前介绍的实施例，有利地，图10的示范实施例通过增加耦接到电介质1005的阳极和阴极的表面积，增大电容密度。电极结构1020可以通过图案技术形成，比如但是不限于压印印刷、模塑等。也就是说，在示范过程100的步骤120的丝网印刷电极层1010以前，通过将带齿的冲模应用(比如冲压)到电介质生瓷带215，可以在修改的生瓷带组件中创建三维结构1020。在示范的图10实施例中，电介质层1005可以由常规的电介质材料形成，比如标准的无涂层陶瓷，但是不要求在所有实施例中都这样。在丝网印刷修改的生瓷带时，电极1010获得可归因于示范齿状压印的突出1020，压印产生自生瓷带冲压或模塑为修改的电介质层1005。突出1020可以用作扩展的电极以便有效地创建主电容器1000内用于收集电荷的附加表面积。为了制造图10的示范实施例和类似的实施例，对制造过程100的修改可以包括在“带成型”步骤110之后或期间，向电介质带添加纹理。值得注意的是，本领域的普通技术人员将认识到，对于突出1020的图案，在三维电容器的类似实施例中能够使用不同于所展示的图案。在本说明书中介绍的过程或流程中的某些步骤，必须自然地先于其他步骤，以使得给定的三维电容器实施例起到所介绍的作用。不过，三维电容器的制造不限于所介绍的步骤次序，如果这样的次序或顺序不改变从其产生的三维电容器的功能。也就是说，应当认识到，某些步骤可以在其他步骤之前、之后或与其并行执行，而不脱离本公开的范围和实质。在某些事例中，能够删除或不执行某些步骤而不脱离本发明。
以上介绍的三维电容器可以包括大约I到大约1000层，优选情况下，大约300至大约500层，其中电介质层厚度往往从大约I至大约50微米。仅仅采用单层电介质时，就形成单层电容器，往往在低温共烧陶瓷(LTCC)技术中的无源集成中见到。三维电容器还可以包括小至0402尺寸(大约O. 04英寸长大约O. 02英寸宽)甚至0201尺寸(大约O. 02英寸长大约O. 01英寸宽)。以上介绍的示范三维电容器实施例采用了所谓“带过程”(如图I至图2所示)。不过，预想三维电容器实施例还可以使用所谓的“湿过程”制作，其中电介质层实际上使用电介质衆料印刷。已经使用三维电容器及其制造方法实施例的详细说明对其进行了介绍，这些实施例作为实例提供而不试图限制本公开的范围。所介绍的实施例包括不同特征，并非它们都在三维电容器的一切实施例中需要。三维电容器的某些实施例采用了仅仅某些特征或所述特征的若干可能组合。三维电容器及其制造方法实施例的变化被包括在本发明的范围内，正如本领域的普通技术人员所理解。预想这里在MLCC语境中本文公开的系统、设备、方法和布局或者其特征或方面能够用于其他相关的或类似的应用，比如但是不限于用于嵌入无源组件应用的陶瓷和塑料聚合物基底。因此，本领域的普通技术人员将认识到，所公开的实施例或其变化能够加入到低温共烧陶瓷(LTCC)应用、高温共烧陶瓷(HTCC)应用、厚膜混合电路和印刷电路板(PCB)等应用中。另外，预想所公开的实施例或其变化能够采用在超级电容器或超级电容器应用中，因为有利地，三维电容器中的电极突出产生在超级电容器或超级电容器应用中可能期望的电极表面积的增大。
权利要求
1.一种具有增大的电容密度的电容器，所述电容器包括 阳极电极层； 电介质层；以及 阴极电极层； 其中，阳极和阴极层至少其一包括进入所述电介质层的一个或多个突出。
2.根据权利要求I的电容器，其中，阳极和阴极层至少其一包括第一导体层和第二导体层，所述第二导体层包括具有的熔点低于所述第一导体层的导电材料的导电材料，以及所述一个或多个突出由所述第二导体层的导电材料创建。
3.根据权利要求I的电容器，其中，电介质颗粒初始地涂布着导电材料，以及所述一个或多个突出由导电涂层材料创建。
4.根据权利要求3的电容器，其中，所述导电涂层材料选自由以下项构成的组银、银IE合金、镍、镍合金、钮、IE合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金、铱、错、钌、铜、镍、铁、钻、猛、钦、锋、鹤、钥、错、组和银O
5.根据权利要求3的电容器，其中，阳极或阴极层包括选自由以下项构成的组的材料银、银IE合金、镍、镍合金 合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金、铱、错、钌、铜、镍、铁、钻、猛、钦、锋、鹤、钥、错、组和银。
6.根据权利要求3的电容器，其中，所述电介质层包括选自由以下项构成的组的材料陶瓷、玻璃陶瓷、涂银陶瓷、涂钯陶瓷、涂银钯陶瓷、涂银配方钛酸钡基电介质、涂银玻璃珠、氧化招和氧化钽。
7.根据权利要求3的电容器，其中，所述电介质层进一步包括导电颗粒，以及所述一个或多个突出通过所述导电涂层材料与所述导电颗粒的组合创建。
8.根据权利要求3的电容器，其中，阳极和阴极层至少其一包括第一导体层和第二导体层，所述第二导体层由具有的熔点低于所述第一导体层的导电材料的导电材料构成，以及所述一个或多个突出通过所述导电涂层材料与第二导体层材料的组合创建。
9.根据权利要求I的电容器，其中，所述电介质层进一步包括导电颗粒，以及所述一个或多个突出由所述导电颗粒创建。
10.根据权利要求I的电容器，其中，阳极和阴极层至少其一包括具有导电涂层的电介质颗粒，使得所述颗粒的导电涂层用于形成适于收集电荷的导电网络。
11.根据权利要求10的电容器，其中，所述导电网络是阳极和阴极层的所述至少其一的第一导电层，其进一步包括同质导电材料的第二导电层。
12.—种具有增大的电容密度的电容器，所述电容器包括 阳极电极层； 电介质层；以及 阴极电极层； 其中，所述电介质层以机械方式被改变以在所述电介质层内提供容纳导电材料的突出的空间；以及 所述导电材料与所述阳极电极层或者所述阴极电极层电气连通。
13.根据权利要求12的电容器，其中，所述电介质层的机械改变利用钻孔技术完成，使得所述突出包括穿透入所述电介质层的手指状凸起。
14.根据权利要求12的电容器，其中，所述电介质层的机械改变通过模塑所述电介质层完成。
15.根据权利要求12的电容器，其中，所述电介质层的机械改变通过用冲模冲压所述电介质层完成。
16.根据权利要求12的电容器，其中，导电涂层材料选自由以下项构成的组银、银钯合金、镍、镍合金、HE合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金、铱、错、钌、铜、镍、铁、钴、猛、钦、锋、鹤、钥、错、组和银O
17.一种用于制造具有增大的电容密度的电容器的方法，所述方法包括以下步骤 把包括电介质颗粒的粉末混合为电介质浆料，其中，所述电介质颗粒涂布有导电涂层； 由所述电介质衆料成型电介质带； 在所述电介质带上涂敷油墨层以创建印刷的生薄片，所述油墨包括导电颗粒，其用于形成电极层； 堆叠多个印刷的生薄片，使得至少一个薄片的电极层与相邻薄片的电介质带层并列；以及 烧结所堆叠的印刷的生薄片，使得所述电介质颗粒上的所述导电涂层聚集到所述电介质颗粒之间的空隙中，其中，所述导电涂层的聚集的至少一个事例与电极层电气连通。
18.根据权利要求17的方法，其中，被混合以形成所述电介质浆料的所述粉末进一步包括导电微粒。
19.根据权利要求18的方法，其中，所述导电微粒包括选自有以下项构成的组的材料银、银IE合金、镍、镍合金 合金、钼、钼合金、银、银合金、金、金合金、铱、错、钌、铜、镍、铁、钻、猛、钦、锋、鹤、钥、错、组和银。
20.根据权利要求17的方法，进一步包括以下步骤 在形成所述电极层时在所述电介质带上涂敷第二导电油墨层，其中，第二油墨层包括导电材料，其具有的熔点低于第一导电油墨层内包括的材料的熔点。
全文摘要
公开了由增加电极表面的有效面积引起的具有改进的电容效率的电容器及其制造方法。利用在与电介质界面点处具有三维方面的电极层，使得所述电极的若干部位延伸或突出到所述电介质层中，可以构造改进的“三维”电容器。有利地，与当前电容器设计相比时，三维电容器的实施例显著减小了电路中容纳所述电容器需要的空间占用。可以实现电容密度增加而无须使用高k(高常数)电介质材料、在不断增长的叠层中附加的“电极-电介质-电极”布局或把多个电容器串联串在一起。
文档编号H01G4/30GK102906835SQ201080056931
公开日2013年1月30日 申请日期2010年12月15日 优先权日2009年12月16日
发明者柴良, A·拉伊, J·威尔逊 申请人:艾普瑞特材料技术有限责任公司