CN101295580B - 电容器元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容器元件及其制造方法。该电容器元件可包括至少一电容性器件。该至少一电容性器件可包含：一对彼此对置的第一导电层；至少一第一介电层，其可形成于该第一导电层中的至少一者的一表面上；以及一第二介电层，其可夹于该第一导电层之间。该第一介电层可具有一第一介电常数，且该第二介电层可具有一第二介电常数。该电容器元件的该电容可视该第一介电层以及该第二介电层的介电参数而定。该介电参数可包含该至少一第一介电层的该第一介电常数及厚度，以及该第二介电层的该第二介电常数及厚度。本发明有效规避了两金属间透过薄介电层而发生短路的危险，或在该介电层中形成可能影响电容效应及特性的细微气泡或其它结构上的缺陷的危险。

Description

电容器元件及其制造方法

技术领域

本发明有关于电容器元件，且更特定言之，本发明有关于可嵌入于印刷电路板或其它微电子元件中的电容器元件(CAPACITOR DEVICES)。

背景技术

电容器元件可用来提供电路中所需的电容，而电容在电路中主要的功能在于储存电能、阻断直流电流，或准许交流电流的通过。电容器元件可包含一介电材料层，该介电材料层夹于一对隔开的导电金属层(例如铜箔)之间。

电容器元件为印刷电路板(PCB)及其它微电子元件上的常见器件。近年来，在例如印刷电路板及配置于该印刷电路板上的元件的设计中，设计者可能需付出大量努力以抑制在该印刷电路板中的电源层与接地层之间引起的电压波动。一种常见类型的电压波动可包括“切换噪声”，该“切换噪声”可能由集成电路中晶体管的切换操作而引起。对此问题的常见解决方案为置放一或多个去耦合电容器元件或旁路电容器元件，该电容器元件可电性耦接于该集成电路附近的电源端子与接地端子之间。

此外，电容器元件可被以分离式元件方式电性耦接于电路板上，或可被设计成嵌入于该电路板中。在此等选择中，形成嵌入于该电路板中的该电容器元件可以增加该电路板上可用于其它用途的表面积。

选择电容器元件时的主要考虑因素可包括该电容器元件的电容及频宽。该电容器元件的频宽可视其自共振频率而定，因为当该电容器元件在低于该自共振频率的频率下工作时该电容器元件可具有正常的工作状态。以下等式(1)说明了电容器元件的电容与自共振频率之间的关系：

$\mathrm{fr}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

其中，f_r表示自共振频率，L表示寄生电感(即，等效串联电感“ESL”)，及C表示寄生电容(即，等效串联电容“ESC”)。根据等式(1)，具有较小电容的电容器元件可具有较高的自共振频率，因而具有宽带宽。反之，具有较大电容的电容器元件可具有较低自共振频率，因而具有窄频宽。然而，对于去耦合电容器元件而言，可能非常需要具有高自共振频率及高电容。

一般而言，可通过以下等式来计算电容：

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{A}{d}---\left(2\right)$

其中，C表示电容器元件的电容(以法拉为单位)，ε表示介电材料的介电常数，A表示两块导电板间夹有介电材料的面积，及d表示板间距离。根据上式(2)，电容与两块导电板间夹有介电材料的面积及介电材料的介电常数成正比，而与两块导电板间的距离成反比。因而，为了增加电容器元件的电容，可增加导电板的面积，或选择极薄的具有高介电常数的介电材料层。然而，上述方法均可能有困难之处。首先，增加导电板的面积将使得整体设计离小型化设计目标愈来愈远。另外，介电材料的选择常常受到许多生产及组态等因素上的限制。而当介电层厚度减小时也会出现额外的问题与困难，例如电路板上介电层的厚度可能会难以控制，因为该介电层的厚度可能由于介电质沈积所在的图案化特征(例如，电容器元件电极)的形状及尺寸而显著改变。采用薄介电层设计通常可能伴随有引起两金属间透过薄介电层而发生短路的危险，或在该介电层中形成可能影响电容效应及特性的细微气泡或其它结构上的缺陷的危险。

发明内容

依据本发明的范例可提供一种具有一电容的电容器元件及一种制造一电容器元件的方法。

本发明的一范例可提供一种具有一电容的电容器元件，其可包含至少一电容性器件。该至少一电容性器件可包含：一对彼此对置的第一导电层；至少一第一介电层，其可形成于该第一导电层中的至少一者的表面上；及一第二介电层，其可被夹于该第一导电层之间。该第一介电层可具有一第一介电常数，且该第二介电层可具有一第二介电常数。该电容器元件的该电容可视该第一介电层及该第二介电层的介电参数而定。该介电参数可包含该至少一第一介电层的第一介电常数及厚度，以及该第二介电层的第二介电常数及厚度。

本发明的另一范例可提供一种制造一电容器元件的方法，该方法可包含：提供一对第一导电层；在该第一导电层中的一者上形成至少一第一介电层；及使该第一导电层及该至少一第一介电层与一第二介电层层压。

依据本发明的一范例还提供一种包含许多个电容性器件的电容器元件。该电容性器件中的至少一者可包含：一第一导电层及与该第一导电层对置的一第二导电层；至少一第一介电层，其可形成于该第一导电层及该第二导电层中的至少一者的表面上；以及一第二介电层，其经由该至少一第一介电层而可被夹于该第一导电层与该第二导电层之间。该第一介电层可具有一第一介电常数，且该第二介电层可具有一第二介电常数。该电容性器件的该第一导电层及该第二导电层中的至少一者可电性耦接至另一电容性器件的一导电层。

依据本发明的另一范例另提供一种具有许多个电容性器件的电容器元件。该电容器元件可包含一第一电容性器件，该第一电容性器件可包含：一对彼此对置的第一导电层；至少一第一介电层，其可形成于该第一导电层中的至少一者的表面上；及一第二介电层，其可经由该至少一第一介电层而被夹于该第一导电层之间。该电容器元件可进一步包含一第二电容性器件，该第二电容性器件可包含：一对彼此对置的第二导电层；至少一第三介电层，其可形成于该第二导电层中的至少一者的表面上；及一第四介电层，其可经由该至少一第三介电层而被夹于该第二导电层之间。该至少一第一介电层可具有一第一介电常数，且该至少一第三介电层可具有一第三介电常数。该第三介电常数可不同于该第一介电常数。

依据本发明的一其它范例可提供一种具有一电容的电容器元件。该电容器元件可包含：一对彼此对置的第一导电层；及一介电层，其可被夹于该第一导电层之间。该介电层可包含：具有一第一介电常数的至少一第一介电材料，及具有不同于该第一介电常数的一第二介电常数的一第二介电材料，从而形成共享该第一导电层的至少两个并联的电容性器件。

依据本发明的另一范例另提供一种电容器元件，该电容器元件包含：至少一电容性器件，该至少一电容性器件包含：一对彼此对置的第一导电层；该至少一第一介电层，其形成于第一导电层中的至少一者的一表面上，该至少一第一介电层具有一第一介电常数；以及一第二介电层，其具有一第二介电常数，该第二介电层经由所述至少一第一介电层而夹于所述第一导电层之间；其中电容器元件的电容视该至少一第一介电层及第二介电层的介电参数而定；该至少一第一介电层呈一图案，该图案通过在该至少一第一介电层中具有许多个介电点而形成。

本发明的电容器元件可以有效规避两金属间透过薄介电层而发生短路的危险，或在该介电层中形成可能影响电容效应及特性的细微气泡或其它结构上的缺陷的危险。

其应该了解的是，上文的概要说明以及下文的详细说明都仅供作例示与解释，其并未限制本文所主张的发明。

附图说明

图1a至图1d为先前技术中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图2a至图2f为在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图3a至图3b为在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图3c为图3b的结构的等效电路；

图3d为图3b的电容器元件的阻抗曲线；

图4a至图4b为在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图4c展示图4b的等效结构；

图5a至图5e为在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图6a为在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的横截面图；

图6b为图6a的结构的等效电路；

图6c为图6a的电容器元件的阻抗曲线；

图6d为并联的三个SMD电容器元件的阻抗曲线；及

图7a至图7c为依据本发明的范例中的电容核心。

主要元件符号说明：

10′成品电容性印刷电路板

28′导电箔

30′导电箔

32′介电薄片

40′介电薄片

42′介电层

46′导电箔

48′导电箔

50初始层压产物

52层压产物

210初始结构

212载体

214导电层

216介电层

220初始结构

222载体

224导电层

226介电层

230中间介电层

310结构

312载体

314导电层

316a介电层

316b介电层

320结构

322载体

324导电层

326a介电层

326b介电层

330中间介电层

410结构

412载体

414导电层

416介电层

418薄导电层

420结构

422载体

424导电层

426介电层

428薄导电层

430介电层

500a电容器元件

500b电容器元件

510结构

512载体

514导电层

516点或其它图案

516a介电点

516b导电点

520结构

522载体

524导电层

526点或其它图案

526a介电点

526b导电点

530中间介电材料

600a电容器元件

614导电层

624导电层

630介电层

710a电容性器件

710b电容性器件

710c电容性器件

720电容器元件

730a电容性器件

730b电容性器件

730c电容性器件

740a电容性器件

740b电容性器件

740c电容性器件

750接地层

具体实施方式

并同所附的范例性图标来阅读本发明的前述发明内容以及实施方式将能更了解本发明。然而，本行人士应可了解到，本发明并不限于该范例性图标中的精确配置及手段。

美国专利第5,800,575号描述了一种制造金属-绝缘体-金属(MIM)电容器元件的方法。请参看图1a，其制造过程可由形成一初始层压(lamination；压成一片)产物50开始，初始层压产物50可包括已完全固化的介电薄片40′，以及层压或结合于介电薄片40′的相对两侧上的导电箔28′及46′。之后，如图1b所示，对导电箔28′进行蚀刻。请参看图1c，以与层压产物50类似的方式可形成另一层压产物52。层压产物52可包括另一介电层42′以及导电箔30′及48′。接着在层压产物50与52之间可配置未经固化的一介电薄片32′，以使介电薄片32′与导电箔28′及30′皆相邻。在将未经固化的介电薄片 32′转化至完全固化状态的习知层压之后，便形成如图1d中所示的成品电容性印刷电路板10′。通常可以减小介电薄片32′的厚度以便获得大的电容。然而，薄介电薄片的设计可能导致该薄介电薄片间形成的不当的金属间短路。

本发明的一范例可提供一种可包含至少一介电层的电容器元件，该至少一介电层可以于当作该电容器元件的电极的导电层与一中间介电层层压之前涂布于该导电层中的至少一者上。以此方式，通过该至少一介电层来保护该导电层使其不会彼此接触。图2a至图2f范例图标了在依据本发明的一范例中的制造金属-绝缘体-金属电容器元件的方法。制造过程可包括形成包括一载体212及一导电层214的一初始结构210。在一些范例中，载体212可包括预浸布(prepreg or pre-impregnation)，该预浸布可为用环氧树脂浸渍过的强化材料，或为涂布有环氧树脂的纤维强化材料。在一范例中，载体212可具有约9μm至36μm之间的厚度，且可由一或多种导电材料(诸如，铜)制成。在另一范例中，可如图2a中所示对导电层214进行蚀刻。本发明的导电层可视所要应用而变。在一些范例中，导电层214可包括选自由以下各物质所组成的材料：铜、锌、黄铜、铬、铬酸盐、氮化钛、镍、硅烷、铝、不锈钢、铁、金、银、钛及其组合。在一范例中，导电层214可包括铜或由铜制成，且其厚度可在约5μm至75μm的范围内。

如图2a中所示，类似于结构210，可形成另一初始结构220，其可包括载体222及导电层224。在使结构210及220与中间介电层230层压之前，在导电层214及224中的至少一者上可形成另一介电层。举例而言，如图2a中所示在导电层224上可形成介电层226，及如图2c中所示在导电层214中的一者上可形成介电层216及在导电层224中的一者上可形成介电层226。在另一范例中，如图2e中所示，在导电层214及224两者上均可形成两介电层216及226。可通过丝网印刷、喷墨印刷或任何其它可提供薄介电层的技术来形成该介电层。该介电层可包括具有高达数百的介电常数的介电材料，且可具有约5μm的厚 度，但厚度可视不同应用而变。高介电常数的材料的范例可包括环氧树脂、聚酯、含有聚酯的共聚物、芳族热固性共聚酯、聚伸芳基醚及氟化聚伸芳基醚、聚酰亚胺、苯幷环丁烯、液晶聚合物、烯丙基化聚苯醚、胺类、无机材料(诸如，钛酸钡(BaTiO3)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅、钛酸锶、钛酸锶钡、石英及其它陶瓷及非陶瓷无机材料)及其组合。

在将至少一介电层涂覆于导电层214及224中的至少一者后，两个结构210及220可被压合于中间介电层230，从而形成如图2b、图2d或图2f中所示的结构，其中中间介电层230的部分可经由至少一介电层216及/或226而被夹于导电层214与224之间。介电层230可为如上所述的具有高介电常数的介电材料。在一范例中，介电层230的介电常数可低于介电层216及/或226的介电常数。介电层230的厚度为约20μm。

利用上文所说明的电容器元件设计，通过介电层216及/或226来保护导电层214及224使其不会彼此接触或彼此间短路。另外，通过具有可包含介电层230及介电层216或226的介电结构，可由中间介电层230以及介电层216及226来控制介电结构的介电常数。另外，电容视介电层216及/或226以及中间介电层230的厚度而定。

图3a及图3b范例图标了在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件的制造过程。参看图3a，结构310及320中的每一者可包括一载体(312或322)及一导电层(314或324)。在经图案化的导电层314及324上，可形成介电层。形成于经图案化的导电层314及324上的每一介电层可通过具有不同介电材料或不同介电材料组合而具有不同介电常数。在一范例中，介电层316a可具有与介电层326a相同的介电常数，而介电层316b可具有与介电层326b相同的介电常数。在使结构310及320与中间介电层330层压后，便形成如图3b中所示的电容器元件C1及C2。由于电容器元件C1的介电常数不同于电容器元件C2的介电常数，因此电容器元件C1及C2可具有不同电容值。图3c中展示了图3b的等效电路，其中电容器元件C1及C2可并联连接。图3d为图 3b的电容器元件的阻抗曲线，其图标了在电容器元件并联的情况下，电容器元件的频宽(诸如，用于降低或消除不同频率的噪声的频宽)可变得较宽。

图4a至图4b范例图标了依据本发明的范例的金属-绝缘体-金属电容器元件。类似于图3a，每一结构(410或420)可包括载体(412或422)、经图案化的导电层(414或424)、在经图案化的导电层上的介电层(416或426)。另外，如图4a中所示，在每一介电层上可形成薄导电层418及428。在使两个结构410及420与介电层430层压之后，可形成如图4b中所示的具有较高电容的电容器元件。如图4c中所说明，可利用薄导电层418及428而减少导电层414与424之间的距离。因此，电容可增加。在一范例中，许多薄导电层可包括于导电层414与424之间以减少导电层之间的距离，以增加电容。该导电层及该薄导电层可包括上文提及的导电材料中之一或多者，或由上文提及的导电材料中之一或多者制成。可通过印刷及/或涂布技术而将薄导电层418及428形成于一位于下方的介电层之上。该介电层可包括上文提及之一或多种高介电常数材料，或通过上文提及之一或多种高介电常数材料而制成，且可被印刷及/或涂布于该介电层的下层上。

图5a范例图标了在依据本发明的范例中的金属-绝缘体-金属电容器元件。在此实例中，结构510及520可包括载体(512或522)、导电层(514或524)，及在导电层(514或524)的表面上高介电常数材料的许多点(spot)或其它图案(516或526)。该点可通过喷墨印刷或其它技术而形成。该点可形成任何图案或图案的任何组合，且可经由控制形成过程(诸如，喷墨印刷过程)来形成图案。具有点的结构510及520可被压合于中间介电材料530，如图5b中所示。在点516或526由该介电材料形成的情况下，此等点可保护导电层514及524使其免于发生金属间短路。另外，电容器元件500a及500b的介电常数可视相邻点之间的距离而定。

图5c范例图标了在依据本发明的范例中的另一金属-绝缘体-金属电容器元件。类似于图5a，结构510及520可包括载体(512或522)、导电层(514 或524)，及通过喷墨印刷或其它技术而提供于导电层(514或524)的表面上的许多点(516或526)。该点包括高介电常数材料的介电点(dielectric spots)516a或526a，及导电材料的导电点(conductive spots)516b或526b。接着，具有该点的结构510及520可经被合于中间介电材料530，如图5d中所示。在一范例中，介电点516a及526a以及导电点516b及526b可形成交叉图案或格纹图案。视点或图案配置而定，导电点及介电点可提供藉由连接来自两个结构的介电点而形成有波状介电层的电容器元件，如图5e中所示。在所说明的范例的情况下，电容视两个导电点之间的最小距离x而定，如图5e中所示。

在另一范例中，该点或介电层可由具有不同介电常数的介电材料形成。图6a范例图标了层压之后的电容器元件的结构。参看图6a，电容器元件600a可具有一介电层630，介电层630可通过具有不同介电材料或不同介电材料组合而具有三个不同介电常数。结果，形成三个并联的电容性器件。由于此三个电容性器件共享导电层614及624，因此不需要额外接线来连接此等并联的电容性器件。图6b为图6a的结构的等效电路的实例。图6c为图6a的电容器元件的阻抗曲线，其图标的有效频宽宽于图6d中所示的并联SMC电容器元件的有效频宽。

以上论述针对单一金属-绝缘体-金属电容器元件。在一些范例中，依据本发明的许多个电容性器件710a、710b、710c可形成一组电容器元件720，如图7a中所示。图7b范例图标了依据本发明的另一组例示性金属-绝缘体-金属电容器元件。图7b可包括并联的电容性器件730a与730b以及电容性器件730c。图7c范例图标了依据本发明的一组例示性金属-绝缘体-金属电容器元件。图7c可包括电容性器件740a、740b及740c。如图7c中所示，此三个电容器元件的电极中的一者(诸如，接地层750)可电性耦接在一起。

本行人士应了解，可在不偏离上述实施范例的广泛发明概念的情况下对上述实施范例进行改变。因此，应理解，本发明并不限于所揭示的特定实施范例，而是意欲涵盖在由权利要求所界定的本发明的精神及范畴内的修改。

Claims (21)

1.一种电容器元件，其特征在于，所述电容器元件包含：

至少一电容性器件，所述至少一电容性器件包含：

一对彼此对置的第一导电层；

至少一第一介电层，其形成于所述第一导电层中的至少一者的一表面上，所述至少一第一介电层具有一第一介电常数；以及

一第二介电层，其具有一第二介电常数，其中一部分的所述第二介电层经由所述至少一第一介电层而夹于所述第一导电层之间，其他部分的所述第二介电层围绕所述第一导电层的侧壁；

其中所述电容器元件的电容视所述至少一第一介电层及所述第二介电层的介电参数而定。

2.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述介电参数包含所述至少一第一介电层的所述第一介电常数及厚度，以及所述第二介电层的所述第二介电常数及厚度。

3.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述电容器元件还包含至少一第二导电层，所述至少一第二导电层形成于所述至少一第一介电层上。

4.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述至少一第一介电层呈一图案。

5.如权利要求4所述的电容器元件，其特征在于，所述图案通过在所述至少一第一介电层中具有许多个介电点而形成。

6.如权利要求5所述的电容器元件，其特征在于，所述电容器元件的所述电容视两个相邻点之间的空间及所述介电点的介电常数而定。

7.如权利要求4所述的电容器元件，其特征在于，所述图案通过许多个介电点及许多个导电点而形成。

8.如权利要求5所述的电容器元件，其特征在于，所述介电点具有不同介电常数。

9.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述导电层包含选自由以下各物质所组成之一材料：铜、锌、铝、不锈钢、铁、金、银及其组合。

10.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述至少一第一介电层包含一选自环氧树脂、聚酯、无机材料及其组合的介电材料。

11.如权利要求1所述的电容器元件，其特征在于，所述至少一第一介电层包含陶瓷、非陶瓷材料及其组合的介电材料。

12.一种制造一电容器元件的方法，所述方法包含：

提供一对第一导电层；

在所述第一导电层中的一者上形成至少一第一介电层；及

使所述第一导电层及所述至少一第一介电层与一第二介电层层压，其中部分的所述第二介电层围绕所述第一导电层的侧壁。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过丝网印刷及/或喷墨印刷而形成所述至少一第一介电层。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包含在所述至少一第一介电层上形成至少一第二导电层。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，以一图案形成所述至少一第一介电层。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一第一介电层包含许多个介电点。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过丝网印刷及/或喷墨印刷而形成所述图案。

18.一种电容器元件，其特征在于，所述电容器元件包含：

许多个电容性器件，所述电容性器件中的至少一者包含：

一第一导电层及一与所述第一导电层对置的第二导电层；

至少一第一介电层，其形成于所述第一导电层及所述第二导电层中的至少一者的一表面上，所述至少一第一介电层具有一第一介电常数；以及

一第二介电层，其具有一第二介电常数，所述第二介电层经由所述至少一第一介电层而被夹于所述第一导电层与所述第二导电层之间，

其中所述电容性器件的所述第一导电层及所述第二导电层中的至少一者电性耦接至另一电容性器件的一导电层。

19.一种具有许多个电容性器件的电容器元件，其特征在于，所述电容器元件包含：

一第一电容性器件，其包含：一对彼此对置的第一导电层、形成于所述第一导电层中的至少一者的一表面上的至少一第一介电层，及一经由所述至少一第一介电层而被夹于所述第一导电层之间的第二介电层；以及

一第二电容性器件，其包含：一对彼此对置的第二导电层、形成于所述第二导电层中的至少一者的一表面上的至少一第三介电层，及一经由所述至少一第三介电层而被夹于所述第二导电层之间的第四介电层，

其中所述至少一第一介电层具有一第一介电常数，且所述至少一第三介电层具有一第三介电常数，所述第三介电常数不同于所述第一介电常数。

20.一种电容器元件，其特征在于，所述电容器元件包含：

一对彼此对置的第一导电层；以及

一介电层，其被夹于所述第一导电层之间，

其中所述介电层包含：具有一第一介电常数的至少一第一介电材料，及具有不同于所述第一介电常数的一第二介电常数的一第二介电材料，从而形成共享所述第一导电层的至少两个并联的电容性器件。

21.一种电容器元件，其特征在于，所述电容器元件包含：

至少一电容性器件，所述至少一电容性器件包含：

一对彼此对置的第一导电层；

至少一第一介电层，其形成于所述第一导电层中的至少一者的一表面上，所述至少一第一介电层具有一第一介电常数；以及

一第二介电层，其具有一第二介电常数，所述第二介电层经由所述至少一第一介电层而夹于所述第一导电层之间；

其中所述电容器元件的电容视所述至少一第一介电层及所述第二介电层的介电参数而定；

所述至少一第一介电层呈一图案，所述图案通过在所述至少一第一介电层中具有许多个介电点而形成。

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