CN102013320B - 一种单层电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层电容器及其制备方法，包括瓷浆制备、制备陶瓷生片、烧结、清洗、在陶瓷介质主体的上下表面分别附着电极层、切割，其中烧结时，陶瓷生片放置于下氧化锆板，上氧化锆板通过垫片支撑覆盖于下氧化锆板上方；电极层通过真空溅射形成；切割采用激光切割。由该制备方法制得的单层电容器，能够符合设计要求，成品合格率大大提高，其长宽尺寸为0.25-2.54mm，厚度仅为0.1-0.5mm，尺寸超小，并具有超低的串联等效电阻和串联等效电感，在射频微波下高Q值，应用频率可达数GHz到数十GHz，故本发明产品可应用于混合微波集成电路和单片微波集成电路等。

Description

一种单层电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及片式电子元器件，特别是一种单层电容器及其制备方法。

背景技术

为适应电子元件微型化、集成化以及高频化发展趋势，单层电容器(SLC)受到人们越来越多的青睐。单层电容器的结构包括单层陶瓷介质层和分别位于陶瓷介质层相对的两个表面的上电极层和下电极层。这种结构使单层电容器与片式多层结构的MLCC相比，由于工作时电流流过前者的路径远小于后者，所以在射频、微波下具有远小于MLCC的等效串联电阻和等效串联电感，从而具有更高的自谐振频率和品质因数。

但是，单层陶瓷电容器厚度薄，采用现有的烧结工艺容易发生变形问题，影响成品平整度和性能；现有的加工电极层工艺一般是厚膜印刷电路方式，加工得到的电极层难以实现超薄的厚度，不利于实现单层陶瓷电容器的微型化，而且电极材料耗用较大；采用一般的机械切割方式极易使芯片碎裂，成品率低。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单层电容器及其制备方法，所制得的单层电容器性能优良，成品率高。

本发明的目的是这样实现的：一种单层电容器的制备方法，包括瓷浆制备、制备陶瓷生片、烧结、清洗、在陶瓷介质主体的上下表面分别附着电极层、切割，其特征在于：所述的烧结时，陶瓷生片放置于下氧化锆板，上氧化锆板通过垫片支撑覆盖于下氧化锆板上方；所述的电极层通过真空溅射形成；所述的切割采用激光切割。

所述的垫片是采用与陶瓷生片相同材料的瓷粉膜片叠压，厚度厚于陶瓷生片，并避免与陶瓷生片接触。

所述的烧结曲线由升温排胶段、快速升温段、高温段、保温段、降温段组成，其中：室温-400℃为升温排胶段，升温速率控制在0.8-1.5℃/min；400℃-1000℃为快速升温段，升温速率控制在3.5-5℃/min；1000℃-最高烧温为高温段，升温速率控制在2-3℃/min；温度达到最高烧温时进入保温段，最高烧温为1250-1320℃，保温时间为2-3小时；降温段的降温速率控制在4-5℃/min。

所述的真空溅射工艺在陶瓷介质主体的上、下表面分别附着单层或多层金属电极层。

所述的真空溅射时，真空度控制在5×10^-3×10^-3Pa，陶瓷片温度控制在常温-60℃，靶材溅射电流控制在1A-5A。

所述激光切割的切割速率为100mm/s-200mm/s，功率为5W-12W，重复切割次数为1-4次。

所述的陶瓷生片通过流延介质膜片、介质膜片叠压、层压、巴块切割制得。所述介质膜片厚度为0.02-0.05mm，所述介质膜片叠压膜时每张膜片直角转置叠加。

由上述制备方法制得的单层电容器。

本发明制得的单层陶瓷电容器长宽尺寸为0.25-2.54mm，厚度仅为0.1-0.5mm，尺寸超小，并具有超低的串联等效电阻和串联等效电感，在射频微波下高Q值，应用频率可达数GHz到数十GHz，故本发明产品可应用于混合微波集成电路和单片微波集成电路等；通过采用独创式的烧结装钵方法，可有效解决陶瓷片烧结变形的问题，保证成品平整度和性能；通过采用真空溅射工艺加工电极层，各电极层间均保证良好的接触，使产品具有超低的ESR值，能显著提高微波电路的有效增益，降低插入损耗，同时以这种工艺得到的电极层极薄，给产品厚度带来的增加几乎可忽略，满足单层陶瓷电容器的微型化要求，并节约电极材料；单片陶瓷电容器烧成后瓷体脆性大，且厚度超薄，通过采用激光切割方式分割芯片，可根据所需要的外围尺寸设定切割步距，精度高，且芯片不易碎裂，有效解决一般机械切割方式易损伤芯片的问题，采用本发明的制备方法，制得的产品能够符合设计要求，成品合格率大大提高。

附图说明

图1是本发明单片电容器的结构示意图；

图2是本发明单片电容器陶瓷主体烧结装钵方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明，但本发明并不限于所述特定例子。

如图1所示，本发明的单片电容器结构主要包括：陶瓷介质主体1，其材料是I类或II类陶瓷介质；电极层2，设于所述陶瓷介质主体1的一个表面上；电极层3，设于所述陶瓷介质主体1的与电极层2相对的表面上，从而形成一个具有一个陶瓷层和两个电极层的单片结构。陶瓷介质主体1和电极层2、电极层3均为方形。电极层2和电极层3分别完全覆盖附着在陶瓷介质主体1的上下表面，边缘处不留边。本发明的单片电容器主要应用于微波集成电路(MIC)中，起隔直、旁路、阻抗匹配、调谐等作用。

上述单片电容器的制作方法，主要由瓷浆制备、流延介质膜片、介质膜片叠压、层压、巴块切割、烧结、清洗、真空溅射、激光切割、清洗等工序组成，

瓷浆制备采用陶瓷罐作球磨分散设备，在球磨罐中按配方比例加入瓷粉、增塑剂、分散剂、消泡剂、甲苯和乙醇，在60-85rpm的转速下球磨3-5小时；再向罐内加入粘合剂球磨8-10小时制得瓷浆。

流延采用钢带流延机把上述瓷浆流延成厚度均匀且符合设计要求的、致密无缺陷的介质膜片。传统的制膜方法为轧膜工艺，该工艺方法得到的膜片存在以下缺陷：膜片成型方法导致的膜片各向异性；膜片整体厚度方向存在微裂缝及微孔，给最终产品带来失效隐患。为克服轧膜工艺的不足，本发明采用流延法制备陶瓷介质膜片，制得膜片厚度为0.02-0.05mm，使膜片叠加成为可能。采用流延法得到的膜片均匀性好，致密度高。

介质膜片叠压是手工堆叠介质膜片使其总厚度等于设计厚度后，再用油压机将膜片压实，使膜片相互粘接成为一个巴块。油压时压力为8-15Mpa，温度50℃-70℃，时间为1-3min。叠膜时将每张膜片直角转置叠加，可相互抵消它们的各向异性，保证生坯整体的各向同性。膜片叠加后即使单张膜片局部存在微孔，其余几层膜片也可将之弥补，不会形成整体厚度方向的微孔，提高产品可靠性。

层压工艺是将陶瓷介质巴块装袋抽真空，用等静水压方式把介质膜片压紧密，防止切割后膜片分层，保证陶瓷介质烧结后的致密性。压力为20Mpa-60Mpa，温度是60-80℃，保压时间是10-20min。

巴块切割是用直刀式切割机将层压好的陶瓷介质巴块切割成一定尺寸的方形陶瓷生片。

烧结采用方形的氧化锆板承载切割好的陶瓷生片，进入空气隧道烧结炉中烧结成瓷。采用独创式的特殊装钵方法，其侧面示意图如图2所示。下氧化锆板4用来承载陶瓷生片5及垫片6。垫片6是采用与陶瓷生片5相同材料的瓷粉膜片叠压，厚度比陶瓷生片5稍厚，按上述的巴块切割方法按5mm×5mm切成，起到支撑上氧化锆板7的作用，避免上氧化锆板7直接压在陶瓷生片5上面。每钵一般使用垫片6数量为4片，分别放置在下氧化锆板4的四个角附近。陶瓷生片5则放置在下氧化锆板4的中间位置，与任一垫片6都不能接触以免烧结时发生粘片。上氧化锆板7与下氧化锆板4正对放置，在上方起盖板作用，可防止产品烧结时变形。烧结曲线由升温排胶段、快速升温段、高温段、保温段、降温段组成，室温-400℃为升温排胶段，升温速率控制在0.8-1.5℃/min，使陶瓷生片中的有机粘合剂充分分解排出，避免其在高温时剧烈反应影响产品外观及性能。400℃-1000℃为快速升温段，升温速率控制在3.5-5℃/min。1000℃-最高烧温为高温段，升温速率控制在2-3℃/min，防止瓷片收缩过快发生变形。温度达到最高烧温时进入保温段，最高烧温为1250-1320℃，保温时间为2-3小时，保证瓷体致密性好、晶粒细密、机械强度高、电性能好。降温段的降温速率控制在4-5℃/min。

采用真空溅射工艺在陶瓷片的上下两个表面分别附着所需要的单层或多层金属，从而形成电极层2、3。溅射时真空度控制在5×10^-3×10^-3Pa，陶瓷片温度控制在常温-60℃，靶材溅射电流控制在1A-5A。采用真空溅射工艺加工电极层，将金属原子在高能电场下直接附着于陶瓷介质表面或内层金属电极表面(没有中间过渡层)，所以电极层与陶瓷介质及各电极层间均保证良好的接触，使产品具有超低的ESR值。

采用激光切割机对加工好电极层的瓷片按成品尺寸要求进行最终的分割。切割速率过大，功率过大，芯片易发生碎裂；另一方面，增加切割重复次数来形成“分段式”切割，可有效减小切割时的应力，使芯片不易损伤。所以控制切割速率为100mm/s-200mm/s，功率为5W-12W，可重复切割次数为1-4次。本发明采用激光切割方式分割芯片的合格率可达到90％，比采用一般机械切割方式分割芯片的合格率(约50％)大大提高。

由上述方法可制得单层陶瓷电容器，长宽尺寸为0.25-2.54mm，厚度仅为0.1-0.5mm，而且即使尺寸超小，但仍能达到高产品合格率。

实施例

在球磨罐中按配方比例加入瓷粉、增塑剂、分散剂、消泡剂、甲苯和乙醇，在60-85rpm的转速下球磨4小时，再向罐内加入粘合剂球磨8小时制得瓷浆。将制得的瓷浆用钢带流延机流延成30um的介质薄膜。按设计总厚堆叠膜片，油压10Mpa/60℃/2min得到巴块。将巴块装袋抽真空，层压40Mpa/68℃/10min后用直刀式切割机将层压好的陶瓷介质巴块切割成50mm×50mm的方形陶瓷生片。按上述的方法将方形陶瓷生片装钵后如空气隧道炉烧结，烧结曲线如表1所示。

表1：烧结曲线

烧结曲线阶段	升温排胶段	快速升温段	高温段	保温段	降温段
						升(降)温速率	1.2℃/min	5℃/min	2.5℃/min	-	4℃/min

最高烧温/保温时间为1300℃/2小时。采用真空溅射附着上下电极层，将加工好电极层的陶瓷片用激光切割机按150mm/s速率，7W功率切割4次，得到成品。成品性能如表2所示。

表2：成品性能

成品平整度≤0.2mm，在1GHz下ESR＜100mΩ。

Claims (6)

1.一种单层电容器的制备方法，包括瓷浆制备、制备陶瓷生片、烧结、清洗、在陶瓷介质主体的上下表面分别附着电极层、切割，其特征在于：所述的烧结时，陶瓷生片放置于下氧化锆板，上氧化锆板通过垫片支撑覆盖于下氧化锆板上方；所述的垫片是采用与陶瓷生片相同材料的瓷粉膜片叠压，厚度厚于陶瓷生片，并避免与陶瓷生片接触；所述的烧结曲线由升温排胶段、快速升温段、高温段、保温段、降温段组成，其中：室温-400℃为升温排胶段，升温速率控制在0.8-1.5℃/min；400℃-1000℃为快速升温段，升温速率控制在3.5-5℃/min；1000℃-最高烧温为高温段，升温速率控制在2-3℃/min；温度达到最高烧温时进入保温段，最高烧温为1250-1320℃，保温时间为2-3小时；降温段的降温速率控制在4-5℃/min；所述的电极层通过真空溅射形成，真空溅射时，真空度控制在5×10^-3×10^-3Pa，陶瓷片温度控制在常温-60℃，靶材溅射电流控制在1A-5A；所述的切割采用激光切割，切割速率为100mm/s-200mm/s，功率为5W-12W，重复切割次数为1-4次。

2.根据权利要求1所述的一种单层电容器的制备方法，其特征在于：所述的真空溅射工艺在陶瓷介质主体的上、下表面分别附着单层或多层金属电极层。

3.根据权利要求1所述的一种单层电容器的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷生片通过流延介质膜片、介质膜片叠压、层压、巴块切割制得。

4.根据权利要求3所述的一种单层电容器的制备方法，其特征在于：所述介质膜片厚度为0.02-0.05mm，所述介质膜片叠压膜时每张膜片直角转置叠加。

5.由权利要求1-4任一权利要求所述制备方法制得的单层电容器。

6.根据权利要求5所述的单层电容器，其特征在于：所述电容器的厚度为0.1-0.5mm。

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