具有三维高比表面积电极的电容器和制造方法

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。

说明书

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。这种现象引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1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0.04英寸长大约0.02英寸宽）成为最流行的势头越来越大，甚 至0201（大约0.02英寸长大约0.01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1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——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）、钯，以及其他贵金属，比如但 是不限于金、铂、铱及其合金，以及难熔金属，比如但是不限于钨、 钼、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 仅仅表示单一“电极-电介质-电极”布局（EDE），它可以表示MLCC 内的单一三层。

图1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、铂、铂 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、锰、钛、 锌，以及难熔金属，比如但是不限于钨、钼、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MLCC 265。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0.001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BaTiO3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、 铂、铂合金、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、钼、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0.01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到，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 一致，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1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。

独特组件选择和附加制造步骤

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。 在示范的图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1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1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0.04英寸长大约0.02英寸宽）甚至0201尺寸 （大约0.02英寸长大约0.01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 1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浆料印刷。

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。