具有低ESL和低ESR的带引线的多层陶瓷电容器

摘要

一种多层陶瓷电容器，其具有至少一个芯片，该芯片具有处于平行间隔关系的第一贱金属片和处于平行间隔关系的第二贱金属片，其中第一贱金属片和第二贱金属片彼此交错。电介质置于第一贱金属片和第二贱金属片之间，并且该电介质具有第一热膨胀系数。第一端子与第一贱金属片电接触，第二端子与第二贱金属片电接触。引线框附接至所述端子并与端子电接触，其中引线框具有第二热膨胀系数，并且第二热膨胀系数高于所述第一热膨胀系数。引线框为非铁材料。

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2009年3月26日提交的待审美国临时申请 No.61/163,496的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及非铁合金用作多层陶瓷电容器中的引线框材料的用 途。

背景技术

由于减小电子器件尺寸的趋势始终存在，因此增强电性能、机 械牢固度、以及提高每个元件效率的需求变得更为迫切。电容器的性 能与效率与其它很多有源器件一样重要。电容器的效率低不仅会影响 电路的性能，还会带来由于所施加电压和电流而引起的增加发热所导 致的热管理问题。对减小电子器件尺寸的持续需求对元件制造商带来 了不断增大的减小元件尺寸同时维持或提高性能的压力。

作为本发明焦点的多层陶瓷电容器(MLCC)，由于其广泛应用 以及相比众多其它类型电容器的较佳性能，而受到了最小化尺寸的显 著压力。

电容、电极重叠、以及有效厚度之间的关系由公式1给出。

C＝ε₀ε_rAN/t    公式1

其中：

C为电容(F)；

ε₀为常数，即自由空间的介电系数，8.854×10^-12(F/m)；

ε_r为电介质的介电系数；

A为有效电极的重叠面积(m²)；

N为有效电极的数量；以及

t为有效厚度(m)。

从公式1可以看出，对于任何具有特征介电系数的给定电介质， 可以通过增大面积(A)、减小有效厚度(t)、增加层数(N)或其组 合来增加电容。

增大电容器的重叠面积一般可以通过增加电容器的长度和宽度 来实现，而这必然使安装电容器所需的焊盘尺寸面积增大。这与缩小 化的效果相反。

降低有效厚度t受到实际考虑的限制，如电介质的绝缘击穿耐 受电压以及所使用的生产工艺。因此，厚度降低的MLCC的额定电压 将下降，这是不希望出现的。

增加层数会导致竖直维度上的最后部分的厚度增大，这是不希 望出现的。此外，在竖直轴上能够增加到电容器中的层数也受到经济 上的限制。考虑堆叠通过使用引线框进行电连接的两个或更多个电容 器可能更经济。还可以使用将引线附接至单个芯片的有利应用，以降 低基板弯曲时MLCC上的拉伸应力。通常，单个芯片直接安装到板上， 即业界公知的工艺“表面贴装”。

在选择高性能电容器时，必须辨别这些能够为应用提供最佳电 性能的电容器。低ESR和低ESL是有利的，因为在带有电负载时，电 能至热能的转化被最小化，从而带来最低的功率耗散。在MLCC中， 电介质材料是重要的因素。铁电2类材料，如X7R和X5R(EIA设计)， 具有较高的介电常数，并包含当施加AC电压时移动的畴(domain)。 这带来了畴壁热耗散，并且是与不带有畴的顺电的1类COG电介质相 比来说另一个要考虑的源。1类材料具有低得多的介电常数，因此对 于很多应用来说，设计者必须使用2类电介质来获得所需的电容。通 过在引线框中堆叠多于一个电容器，如图1所示，可以在使用相同的 电路板焊盘尺寸的同时使电容倍增。在这种方法中，引线框及其连接 构成堆叠电容器的限制元件，并且是效率低的源头。

陶瓷电容器是设计者可用的众多电容器设计中的一种。陶瓷电 容器的物理属性之一是在经受压应力时非常坚固，而在承受拉伸负荷 时比较脆弱。当电容器附接至非刚性基板(如使用业界公知为FR-4、 G-10、CEM 1-4等系列的玻璃纤维和环氧材料合成的典型的层叠电路 板)时，则上述特性成为设计者必须对抗的重要物理特性。当陶瓷电 容器安装至这些非刚性基板时，在基板弯曲时引入陶瓷的力是危险 的，可能由于引入电容器主体的拉伸力而导致电容器破裂或损坏。

一种使得由于基板弯曲而引入陶瓷电容器主体的应力最小化的 可用设计选项是为电容器添加引线，该引线实际上吸收了基板的弯 曲，从而使引入陶瓷电容器主体的拉伸应力最小化。这些引线由表面 精加工的导体材料制成，其与电容器的端子兼容，用于将该引线附接 至电容器端子的材料即业界所称的焊料，该焊料可以是基于Sn/Pb 的合金、或者诸如Sn/Ag/Cu(SAC)合金的不含铅(Pb)焊料、或者对 引线附接工艺提供可接受处理的其它合金。

在考虑引线框材料时，本领域已知必须使用热膨胀系数(CTE) 最好小于陶瓷的材料，以使得当器件经受温度循环时，电容器始终处 在受压状态。存在一些符合这些物理特性的优选合金。这些业界已知 的合金是公知为42合金的Ni/Fe合金，其由大约42％的Ni和58％ 的Fe构成。由镍、铁、和钴构成的Kovar是另一种已知选择。42 合金是优选材料，因为其相比Kovar合金更为经济。美国专利第 6,310,759号以及6,523,235号描述了使用42合金的有利之处，因 为其具有相比陶瓷更低的CTE。美国专利第6,081,416号指出，陶瓷 的CTE需要比引线框大25％。这些专利还指出了元件能够在-55℃到 +150℃的温度范围内操作的重要性，来作为电子元件的可接受工业标 准，尽管该标准根据具体产品应用而存在某些变动，如-55℃到+125 ℃，或-40℃到150℃。

尽管Ni/Fe合金提供了优良的机械属性，其磁属性以及低电导 率是固有的电气缺陷。这些材料的低电导率和磁属性对于优化电容器 性能来说是不利的。

从前文可以看出，存在不断增长的改善电容器性能的需求。本 文提供了这种改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的MLCC。

具体来说，本发明的目的是提供一种具有低ESL和低ESR的 MLCC。

本发明的一个优点是能够在不增加安装电容器所需面积的情况 下提供更大的电容以及整体改善的电特性。

所实现的这些和其它优点提供在多层陶瓷电容器中。该电容器 具有至少一个芯片，该芯片具有处于平行间隔关系的第一贱金属 (base metal)片和处于平行间隔关系的第二贱金属片，其中第一贱 金属片和第二贱金属片彼此交错。电介质置于第一贱金属片和第二贱 金属片之间。第一端子与第一贱金属片电接触，第二端子与第二贱金 属片电接触，以形成具有第一热膨胀系数的多层陶瓷电容器。引线框 附接至所述端子并与端子电接触，其中引线框具有第二热膨胀系数， 并且第二热膨胀系数高于所述第一热膨胀系数。引线框为非铁材料。

附图说明

图1是带引线的MLCC电容器的部分剖面侧面示意图。

图1A是带引线的MLCC电容器的透视图。

图1B是本发明的一个实施例的透视图。

图1C是本发明的一个实施例的侧面示意图。

图1D是本发明的一个实施例的侧面示意图。

图2图示了板弯曲数据。

图3图示了板弯曲数据。

图4图示了ESL结果。

图5图示了ESR结果。

图6图示了作为电流的函数的温度结果。

图7a至图7i图示了本发明针对2芯片、22μF、额定50V的电 容器的可靠性测试结果。

图8是本发明的芯片堆叠的透视图。

图9是本发明的芯片堆叠的透视图。

图10是例示了带引线的通孔的本发明实施例的透视图。

图11是例示了带引线的表面安装的本发明实施例的透视图。

具体实施方式

本发明涉及对MLCC的改进，特别是对带引线的贱金属电极(BME) MLCC的改进。具体来说，本发明适用于在贱金属MLCC上使用非铁引 线框材料，其不包含铁或镍。

本发明使用非铁合金(优选为磷青铜)来作为性能改进的引线 框材料，其使得带引线的BME电容器在较高的功率电平下以更高的效 率工作，具有提高的电容密度并工作在更苛刻的环境中，同时提供机 械牢固度以满足现代电子产品的需求设计和环境要求。电容器结构、 电子特性的改善与现有技术中的预想直接相反(contradiction)。

带引线的BME MLCC堆叠电容器如图1所示。在图1中，带引线 的BME MLCC堆叠电容器1包括两个芯片的堆叠，其中具有下部芯片 2和上部芯片3，其中“下部”和“上部”是为了便于描述的相对术 语，不构成任何限制。每个芯片都具有交错的在相对末端终止的贱金 属电极(BME)片。片4在一种极性的端子8处终止，片5在相反极 性的相对端子7处终止。芯片通过焊接或导电粘合剂10附接至引线 框9。带引线的BME MLCC堆叠电容器可以包括至少一个MLCC或多个 堆叠在彼此顶上的MLCC。堆叠中MLCC的数量最高可达200个，以2-20 个为优。多个堆叠，如每个堆叠1-50个芯片、或更优选地每个堆叠 2-10个芯片，可以成直列式排列并被包含在相同的引线框内。

电极片是贱金属电极片。具体优选的电极片包括镍，并以基本 由镍构成的电极片为最优。

图1A中示出了另一个实施例。在图1A中带引线的MLCC电容器 20包括6个芯片，其布置在2×3方位中，其中三个上部芯片21和 三个下部芯片22布置在引线框23和24中。

图1B例示了本发明的一个实施例，其中对本文使用的各种名称 进行说明。垂直于电容器安装表面(如通过引脚19安装)的方向记 为“n”，并被称作堆叠。堆叠的数量记为“m”。因此将多芯片电容 器称为“n×m阵列”。出于例示的目的，图1B示出了2×3阵列。

图1C例示了本发明的一个实施例。在图1C中，电容器40包括 1×m阵列，其具有布置为内部片(plate)与基板42垂直的多个芯 片41。第一引线43安装至最接近基板的表面上的阵列，第二引线44 安装至最远离基板的表面。引线框臂45和46可以是如图1D所示的 直引线(through lead)，或者形成为构成引脚47和48以便于表面 贴装。

引线框可以通过使用导电环氧材料、焊料、或其它导电接合技 术附接至MLCC。在这种情况下优选使用不含铅的焊料合金。特别优 选的焊料合金包括约91-92wt％的Sn和约8-9wt％的Sb，更优选的 为约91.5％的Sn和约8.5％的Sb。还可以使用Pb/Sn焊料，但是工业 优选不含Pb的轴承焊料。针对此应用的优选引线框材料是磷青铜材 料，其主体材料是铜，而平衡部分为锌、锡、和磷。

能够在维护或改善机械牢固性的同时提升MLCC电容器的电性 能。优选引线框材料为磷青铜、黄铜、铜以及铜合金，这些材料均不 包含Ni和Fe材料。Ni和Fe材料被认为由于高CTE而不适用于MLCC 应用，因为这会提供在热变化时较脆的元件。

磷青铜通常由约80+％的主体材料铜以及构成合金的平衡物的 锌、锡、和磷组成。这些材料均具有高于Ni/Fe合金的电导率，均为 非磁性材料，并且提供较小的ESL和ESR。基于铜的合金，如194合 金，是电子工业中广泛使用的引线框材料，其中成本、电导率、和对 组装工艺的兼容性较为重要。铍铜(BeCu)合金由于其优良的适应性 也广泛应用于半导体引线连接。由于其高CTE，这些材料均被认为不 适用于MLCC中的引线框元件。

典型的陶瓷电介质具有约8×10^-6至约12×10^-6μm/m℃的CTE， 而钛酸钡约为10×10^-6μm/m℃。当合并在具有端子的多层电容器中 时，所得这些合成物的CTE范围通常增至6×10^-6μm/m℃至14× 10^-6μm/m℃。42合金在本领域中被认为是优选的引线框材料，因为其 CTE约为5.3×10^-6μm/m℃。磷青铜的CTE约为17.8×10^-6μm/m℃。 铍铜合金的CTE约为16.7×10^-6μm/m℃。194合金具有约16.3× 10^-6μm/m℃的CTE。与现有技术相反，考虑使用CTE高于MLCC的引线 材料。在直接相反的示例中，优选CTE至少比本发明的MLCC的CTE 高2×10^-6μm/m℃。更优选地，CTE至少比本发明的陶瓷的CTE高4 ×10^-6μm/m℃。这与现有技术中的指教直接相反，现有技术要求引线 框的CTE低于且优选远低于陶瓷的CTE。

对由这些不同合金制成的2220种尺寸的X7R MLCC、22μF、50V 电容器(具有通过相同材料和相同方法焊接至引线框的每框2个镍电 极)进行板弯曲测试，结果如图2所示。在全部情况中，记录当在标 准FR-4电路板上基于AEC Q-200方法弯曲时电容降低2％的失效情 况。图2示出了30个样本中的失效百分比相对板弯曲距离的威布尔 图。基于板弯曲测试结果选择磷青铜(○)作为优选的引线框材料。 磷青铜改善了电容器的电性能。测试数据还表明，与现有技术中的预 期相反，磷青铜提供了优良的机械牢固度。图2还给出了两种不同非 铁合金(即CU194(◇)和BeCu(□))的弯曲对比。此对比显示了 当使用磷青铜作为引线框材料时所得的优良的板弯曲特性。另一发现 是，与直接表面贴装或Flex Term技术相比，BeCu和Cu194均提供 了改进的弯曲能力。图2的数据显示了不同引线框合金对元件能够承 受的板弯曲量的影响。磷青铜明确显示出了其优良的弯曲能力。

图3例示了如相对图2所示准备的三种电容器的对比。一种电 容器是不带有引线框的表面贴装器件(○)。第二种电容器使用 Kemet’s FT Cap端子(□)，其是在CARTS USA 2009 Proceedings， March 2009，Jacksonville，FL“Flexible Termination- Reliability in Stringent Environments”中公开的柔性聚合物端 子。第三种电容器使用本发明的磷青铜引线框(◇)。通过对比标准 表面贴装MLCC、利用磷青铜引线框的MLCC安装、以及使用适应性聚 合物端子的相同MLCC设计提供弯曲对比。可以看出，磷青铜引线框 具有优良的性能。

图7a、7b和7c例示了具有磷青铜引线框的带引线的贱金属电 极MLCC电容器在经受高温下1000小时的长时间环境测试时的牢固 度。图7a示出了在125℃下对100个样本施加2倍额定电压(100V) 之后在最高1000小时的各种时间间隔下的可接受冷(环境)IR(绝 缘电阻)。图7b示出了与图7a相同测试条件下的可接受热(125℃) IR。图7c示出了在额定电压50V下，在85℃和85％的相对湿度下对 100个样本测试最高1000小时之后的可接受冷IR。图7d、7e和7f 分别显示了在对30个样本进行300个周期的从-55℃到+150℃的温度 冲击测试(其中这些温度之间的过渡时间小于20秒)之后的良好的 电性能以及可接受的电容、损耗因数(DF)和IR。图7g、7h和7i 分别显示了在对100个样本进行1000个周期的以15℃/min的温度斜 率进行从-55℃到+150℃的温度循环(其中在每个温度上停留30分 钟)后的良好性能以及可接受的电容、DF、和IR。这些结果清楚地 显示了磷青铜引线框的机械牢固度，这些磷青铜引线框使电容器能够 避免与CTE不匹配所导致的损坏相关联的灾害性电故障。这种机械牢 固度与基于非铁材料的CTE的期望相反。

选择磷青铜用作引线框材料的最重要的优点在于，这些非铁引 线框相比基于铁的引线框具有未曾意料到的低ESL和ESR特性的电气 优点。

电源数字电路中的逻辑门始终在进行开关。在每个周期中，以 与开关速度成比例的速率汲取电流。在较高的开关速度下，电流与封 装电感相互作用，产生电路中的电压尖峰或噪声。随着开关速度的提 高，电流也增大，从而产生较大的电压尖峰。这些尖峰可以导致电路 中的开关错误，这将降低系统性能。

电路中由于瞬态电流或电感产生的电压由公式2定义：

V＝L(di/dt)   公式2

其中：

V是以伏特计量的电压；

L是电感；

di是电流的变化；和

dt是时间的变化。

在电源具有快速变化的负载时也会观察到相同的关系。当负载 施加至电源时，系统中会出现电流冲击，以维持跨负载的电压。由于 系统中存在电感，因此电感会阻碍电流在负载上产生电压降。使用靠 近负载的去耦电容器来暂时提供冲击电流，以使得负载上没有电压 降。理想的电容器可以在短时间内提供无限量的电流，但相关联的电 感(不考虑ESR)将阻碍电流，从而限制了去耦的效果。因此针对此 应用来说，优选使用低电感的电容器。

为了降低系统噪声，在电路中布置电容器以去耦。理想情况下， 电容器不具有电感，并且能够实现有效的去耦。但实际上，电容器具 有自感并因此会累加至系统电感。因此必须选择具有低电感的电容 器，以便不增加系统噪声。

图4中图示了42合金与磷青铜在电感上的差别。购买可商业获 得的具有42合金引线的贱金属电极MLCC并进行测试，所得结果与具 有42合金引线框和磷青铜引线框的相同值Kemet MLCC进行比较。可 以清楚看出使用磷青铜引线框的ESL较低。此外还示出了市场可获得 的具有42合金引线框的MLCC(A)、和具有相同值并且具有42合金 引线框的Kemet电容器(B)、以及具有相同值并且具有磷青铜引线 框的Kemet电容器(C)的ESL结果。

电容器中的另一关键参数是其等效串联电阻(ESR)。ESR是电 容器中包括电极、电介质、端子和镀层的全部组件的贡献所导致的所 有损耗的度量。这些损耗可能随着材料选择和电容器几何构造而在幅 度级别上变化。ESR还是频率的函数。

ESR是所有电子器件中发热的来源。任何电阻性损耗均通过发热 而耗散，从而导致器件损坏。波纹电流不是ESR的度量，而是ESR 如何影响电容器的热特性的度量。在波纹电流测量中，将信号以较大 的AC电流提供至电容器。

电容器中的功率损耗是ESR和电流的直接函数，如下述公式3 所定义。

P_wr＝i²R    公式3

其中：

P是以瓦特计量的功率；

I是以安培计量的电流；以及

R是以欧姆计量的电阻。

由于公式中的电流取平方，因此功率损耗随着电流增大而迅速 增大。由于功率通过热量耗散，因此容易看出，增大电流将使得电容 器中的发热增加。

因此期望ESR尽可能低以减少发热。

图5中图示了与BME电容器中的42合金引线框相比，磷青铜引 线框具有较低的电阻。图5示出了市场可购得的具有42合金引线框 的MLCC(A)、具有相同42合金引线框的Kemet电容器(B)、和具 有磷青铜引线框的Kemet MLCC(C)的ESR测试结果。

图6示出了每个引线框类型的温度上升曲线图，表1示出了针 对每个部分和每个电流读数的列表式记录温度。为了显示这些引线框 材料之间的ESL和ESR差别的效果，对具有相同电容值但具有由42 合金(A)、磷青铜(C)、铜194(B)和铍铜(D)制成的引线框的 贱金属MLCC电容器进行波纹电流测试。电流在100kHz下从0安培增 加至10安培，其中通过电容器上的热电偶来记录温度的增加。电流 随后以5安培的步长增加至25安培，同时测量每个部分的温度上升。 然后对表2中记录的结果使用公式3来计算热耗散。这些测试清楚地 显示了具有较低ESL(如图4所示)和较低ESR(如图5所示)的电 容器性能改进，并且通过使用非铁合金可以带来较低的操作温度。

图6示出了针对用于将电容器附接至测试板的各种引线框材料 的电容器随着电流负载的增加而产生的比较温度上升。与预期一致， 具有42合金引线框材料的电容器显示出最高的温度上升，因为如图 5所示，42合金也显示出了最高的电阻率。磷青铜显示出比42合金 明显降低的温度上升，因为其具有较低的电阻率。194合金和铍铜 (BeCu)合金均具有最低的温度上升，并且相比磷青铜或42合金具 有较低的电阻率。

图8给出了本发明的一个实施例。在图8中，多个芯片80排列 为内部的片彼此平行。相同极性的端子处在相同面81上。图9示出 了替代实施例，其中芯片90堆叠为一些片与相邻的芯片平行而与其 它的相邻芯片共面。端子示为91。各部分的固定和朝向便于组装。

图10示出了本发明的一个实施例。在图10中，芯片100位于 引线框101之间。直引线102附接至引线框并且延伸至电路板的通路 (via)。

图11示出了一个优选实施例。在图11中，多个芯片110堆叠 在两个表面贴装引线框111之间。

表1示出了针对每种不同的引线框合金和在不同的电流电平下 逐电容器测量的温度上升。磷青铜、194铜、和铍铜、所有非铁合金 所展现出的温度上升均明显低于42合金所展现出的温度上升，因为 它们的电阻率低于42合金。

表2示出了使用功率公式3针对每种电容器计算出的以瓦特为 单位的功率耗散：

表1：具有不同引线框材料的电容器在不同的施加电流输入下的 温度

表2：计算的功率耗散

已经参照优选实施例对本发明进行了说明而不构成限制。本领 域技术人员能够实现本文未详细说明的实施例和示例，这些实施例落 入所附权利要求中具体限定的本发明的范围。