CN104752054A - 多层陶瓷电子元件及其制备方法和安装有多层陶瓷电子元件的电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多层陶瓷电子元件及其制备方法和安装有多层陶瓷电子元件的电路板。该多层陶瓷电子元件可以包括:包括介电层和内部电极的陶瓷体,与所述内部电极连接的电极层,以及形成在所述电极层上且包括第一导体、含碳纳米管的第二导体和基体树脂的导电树脂层。当以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时,该多层陶瓷电子元件的重量将下降约0.33%-2.19%。本发明提供的多层陶瓷电子元件和安装有多层陶瓷电子元件的电路板具有冲击吸收和镀液防渗透性能以及低ESR。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2013年12月30日向韩国知识产权局提交的申请号10-2013-0166899韩国专利申请的优先权,其公开内容并入本申请作为参考。
技术领域
本发明涉及一种多层陶瓷电子元件及其制备方法,以及安装有多层陶瓷电子元件的电路板。
背景技术
除非本文中特别地指明,该部分中所描述的材料并非是本文中权利要求项的现有技术,并且也不由此部分中所包含的内容归入为现有技术。
多层陶瓷电子元件通常包括多个堆叠的介电层、相互面对且具有插入的介电层的内部电极,以及与各个内部电极电连接的外部电极。
这样的多层陶瓷电子元件已经广泛地在电脑、移动通讯设备如个人数字助理(PDAs)、移动电话等中用作元件,这是由于其具有的如小尺寸、高电容、易装配等内在的优点。
由于电子产品已然小型化且以多功能化应用,芯片元件(chipcomponents)也趋向于小型化和多功能化。因此,需要具有高电容的小尺寸的多层陶瓷电子元件。
为此,通过减少介电层和内部电极层的厚度,以及减薄外部电极,已制得的多层陶瓷电子元件的尺寸没有增加,但是堆叠了数目增加的介电层。
此外,由于在需要高度可靠性的领域中通常使用的设备和装置,例如车辆或医疗设备的各种要素,已经被数字化并增加了在此方面上的需要,与之相应地,在多层陶瓷电子元件中也需要高度可靠性。
作为造成实现高度可靠性中困难的因素,镀液(plating solution)渗透进入多层陶瓷电子元件的陶瓷主体、制备过程本身的事故、外部冲击导致的产生裂纹等都可能是问题所在。
因此,作为解决这些问题的方式,将含有导电材料的树脂组合物施用在多层陶瓷电子元件的外部电极的电极层上,以吸收外部冲击并防止镀液渗透进入其中,因此改善了产品的可靠性。
然而,在向多层陶瓷电子元件的电极层施用导电树脂层的时候,可能发生等效串联电阻(equivalent series resistance(ESR))增加的问题,从而需要不会存在这样问题的多层陶瓷电子元件。
发明内容
本发明公开的一些实施方式可提供多层陶瓷电子元件及其制备方法,以及安装有该多层陶瓷电子元件的电路板。
根据本发明公开的一些实施方式,提供的多层陶瓷电子元件包括:包括介电层和内部电极的陶瓷体。电极层与所述内部电极连接。在所述电极层上形成导电树脂层且该导电树脂层包括第一导体、含有碳纳米管的第二导体以及向所述电极层施用的基体树脂。当以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时,该多层陶瓷电子元件的重量将下降约0.33%-2.19%。
当以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时的重量下降率定义为A,以及以约10℃/min的速度将对比电子元件的温度从室温升至约900℃从而对对比电子元件进行加热测试时的重量下降率定义为B时,其中,该对比电子元件含有与多层陶瓷电子元件中同样比例的第一导体和基体树脂但不含有第二导体,A/B可以为约1.43-9.52。
表明所述多层陶瓷电子元件的加热测试步骤的温度-重量曲线图可以具有拐点,并且该拐点可以出现在约300-500℃的温度范围内。
所述导电树脂层可以具有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
所述导电树脂层可以含有基体树脂:碳纳米管的体积比约为100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
所述导电树脂层可以具有的第一导体的含量为约33-60vol%。
当将所述碳纳米管的直径定义为D,则D可以在约1-100nm的范围内(1nm≤D≤100nm)。
所述第一导体可以为球形或片状。
根据本发明的一些实施方式,多层陶瓷电子元件包括:包括介电层和内部电极的陶瓷体,与所述内部电极连接的电极层,以及在所述电极层上形成的且含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂的导电树脂层。所述导电树脂层可以含有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
所述导电树脂层可以具有的金属颗粒的含量为约33-60vol%。
所述导电树脂层可以具有的基体树脂的含量为约38-65vol%。
当将所述碳纳米管的直径定义为D,则D可以在约1-100nm的范围内(1nm≤D≤100nm)。
根据本发明的一些实施方式,多层陶瓷电子元件包括:包括介电层和内部电极的陶瓷体,与所述内部电极连接的电极层,以及在所述电极层上形成的且含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂的导电树脂层。所述导电树脂层可以含有基体树脂/碳纳米管的体积比约为100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
所述导电树脂层可以具有的金属颗粒的含量为约33-60vol%。
所述导电树脂层可以具有的基体树脂的含量为约38-65vol%。
根据本发明的一些实施方式,多层陶瓷电子元件的制备方法包括:形成包括介电层和内部电极的陶瓷体,形成与所述内部电极连接的电极层,向所述电极层施用含有第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电浆料,以及固化所述导电浆料以形成导电树脂层。所述导电树脂层可以具有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
根据本发明的一些实施方式,多层陶瓷电子元件的制备方法包括:形成包括介电层和内部电极的陶瓷体,形成与所述内部电极连接的电极层,向所述电极层施用含有第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电浆料,以及固化所述导电浆料以形成导电树脂层。所述导电树脂层可以含有基体树脂:碳纳米管的体积比约为100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
根据本发明的一些实施方式,安装有多层陶瓷电子元件的电路板包括:包括在印刷电路板上形成的第一和第二电极片的印刷电路板;以及在所述印刷电路板上安装的多层陶瓷电子元件。所述多层陶瓷电子元件可以包括:包括介电层和内部电极的陶瓷体,与所述内部电极连接的电极层,以及在所述电极层上形成的且含有第一导体、含有碳纳米管的第二导体和基体树脂的导电树脂层。
根据本发明的另一种实施方式提供一种多层陶瓷电子元件,该多层陶瓷电子元件包括:包括多个交替的介电层和内部电极的陶瓷体。一对相对的电机层与所述内部电极相连接。在每个所述电极层上形成导电树脂层。所述导电树脂层含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂。所述导电树脂层可以含有约33-60vol%的金属颗粒以及约38-65vol%的基体树脂。
在某些实施方式中,所述导电树脂层可以含有约0.5-10vol%的碳纳米管。所述导电树脂层可以含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
在某些实施方式中,所述碳纳米管的直径(D)和长度(L)的比例可以满足的关系为L/D≥1.0,并且所述碳纳米管的直径(D)可以满足的关系为1nm≤D≤100nm。
附图说明
通过以下详细说明并结合附图将更为清楚地理解本发明的实施方式。
图1为根据本发明的一种具体实施方式的多层陶瓷电子元件的透视图。
图2为沿着图1的A-A’截取的横截面图。
图3为图2的P部分的放大图。
图4A和4B表示的是本发明的部件之一,即导电树脂层截面的扫描电子显微镜(SEM)图。
图5为说明根据实施例的多层陶瓷电子元件和对比例的多层陶瓷电子元件的加热测试(热分解)结果的曲线图。
图6A为说明本发明的部件之一,即碳纳米管结构的简图,以及图6B为本发明的部件之一,即碳纳米管的示意图。
图7为说明根据本发明的另一种具体实施方式的制备多层陶瓷电子元件的方法的流程图。
图8为根据本发明的另一种实施方式的带有安装在其上的多层陶瓷电子元件的安装电路板的示意透视图。
图9为沿着图8的B-B’截取的横截面图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式将结合附图进行详细的描述。
然而,本发明可能以多种不同的形式进行举例说明,但并应当理解为本限定为本文中所陈述的特定的实施方式中。而是,提供这些实施方式是为了解释本发明的原则和它的实际应用,从而使得本领域的其他技术人员能够理解本发明具有多种多样的实施方式并且可以在特定的使用中进行适当地修改。
在附图中,要素的形状和尺寸可以进行扩大以至更为清楚,并且全文中同样的标记数字将指定同样的或类似的要素。还应当理解的是,虽然术语第一、第二等可以在本文中用来描述多种要素,但是这些要素不应当受这些术语所限制。这些术语仅仅是用来区分一个要素与另一个要素。除非文中清楚地指明,否则在说明书和附带的权利要求书中所使用的单数形式的“一个”同样包括复数形式,。
多层陶瓷电子元件100
图1为根据本发明的一种具体实施方式的多层陶瓷电子元件100的透视图,图2为沿着图1的A-A’截取的横截面图。
图3为图2的P部分的放大图。
参照图1和2,根据本发明的一种具体实施方式的多层陶瓷电子元件100可以包括陶瓷体110;以及外部电极130a和外部电极130b。
陶瓷体110可以包括作为有助于形成电容器的电容的部分的活性层(active layer),以及形成在该活性层部分的上部和下部的上覆盖层和下覆盖层,分别作为上边缘部分和下边缘部分。所述活性层包括介电层111以及内部电极121和内部电极122。
在本发明的一种具体实施方式中,对陶瓷体110的形状并没有特别的限定,但是可以大致为六面体形状。由于在烧结芯片时陶瓷粉末的烧结收缩和内部电极图案的存在或不存可以产生厚度上的不同,以及可以打磨所述陶瓷体的边缘部分,因此陶瓷体110就不会具有完全的六面体形状,而是可能具有大致接近的六面体的形状。
为了清楚地描述本发明的具体实施方式,将对六面体的方向进行定义。附图中所示的L、W和T分别是指长度方向、宽度方向和厚度方向。在此,厚度方向可以与介电层堆叠的方向相同。
所述内部电极可以配置为第一内部电极121和第二内部电极122。可以互相相对地安置第一内部电极121和第二内部电极122,且在它们之间有介电层111。第一内部电极121和第二内部电极122,是具有不同极性的成对电极,可以通过在介电层111上印刷含有导电金属的导电胶达到预期的厚度以在介电层111堆叠的方向上交替地暴露在所述陶瓷体的两个端面上,并且可以通过安置在它们之间的介电层111而相互之间电绝缘。
例如,第一内部电极121和第二内部电极122可以分别通过交替暴露在陶瓷体110的两个端面上的外部电极的部分而与外部电极130a和外部电极130b电连接。更详细地,所述外部电极可以包括第一外部电极130a和第二外部电极130b,第一内部电极可以与第一外部电极130a电连接,并且第二内部电极可以与第二外部电极130b电连接。
因此,当在第一外部电极130a和第二外部电极130b上施加电压时,电荷可以在相互相对的第一内部电极121和第二内部电极122之间累积。在这种情况下,多层陶瓷电容器100的电容可以与第一内部电极121和第二内部电极122间的重叠区域的面积成正比。
第一内部电极121和第二内部电极122的厚度可以根据它们的应用来确定。
此外,第一内部电极121和第二内部电极122含有的所述导电金属可以为镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)或它们的合金,但是本发明并非限于此。
这种情况下,介电层111的厚度可以根据多层陶瓷电子元件的电容设计任意地进行调整。
此外,介电层111可以含有具有高介电常数的陶瓷粉末,例如基于钛酸钡(BaTiO3)的粉末或基于钛酸锶(SrTiO3)的粉末等,但是本发明所公开的内容并非限于此。
所述上覆盖层和下覆盖层可以具有和介电层111一样的材料和配置,除了所述上覆盖层和下覆盖层不包含内部电极。所述上覆盖层和下覆盖层可以通过在垂直方向上分别在所述活性层的上表面和下表面上堆叠单一的或两个以上的介电层来形成,并且通常用以防止第一内部电极121和第二内部电极122受到物理或化学应力的损坏。
第一外部电极130a可以包括第一电极层131a和导电树脂层132,并且第二外部电极130b可以包括第二电极层131b和导电树脂层132。
第一电极层131a和第二电极层131b可以直接与所述第一和第二内部电极相连接以确保所述内部电极和外部电极之间的电连接性。
第一电极层131a和第二电极层131b可以含有导电金属。所述导电金属可以为镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、金(Au)或它们的合金,但是本发明并非限于此。
第一电极层131a和第二电极层131b可以为通过烧结含有所述导电金属的胶而形成的烧结型电极(sintering-type electrodes)。
导电树脂层132可以安置在第一电极层131a和第二电极层131b上。
详细地,所述第一和第二电极层可以安置在所述陶瓷体的外表面上,并且导电树脂层132可以安置在所述第一和第二电极层的外部。
在本发明中,基于所述内部电极,将向着陶瓷体110中心的方向限定为内侧方向,和将陶瓷体110往外的方向限定为外侧方向。
图3为图2的P部分的放大图,以及图4A和4B为根据本发明的实施方式形成的多层陶瓷电子元件的导电树脂层的截面的扫描电子显微镜(SEM)图。如图3、4A和4B中所示,根据本发明的一种具体实施方式,导电树脂层132可以含有第一导体32a、第二导体32b和基体树脂32c。
第一导体32a可以为含有铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)或它们的合金中的一种或多种的金属粒子,但是并未限定于此。并且,第一导体32a可以为球形或片状。
第二导体32b可以含有碳纳米管。
在所述电极层上形成的导电树脂层可以用于防止镀液在所述外部电极的表面上形成镀层时渗透进入多层陶瓷电子元件中,并且增加所述多层陶瓷电子元件的弯曲强度(flexural strength)。
当导电树脂层含有基体树脂时,由于所述基体树脂可能分解或烧掉,因此在相对较高的温度下烧结在所述导电树脂层中含有的金属可能会较难。
因此,在所述导电树脂层含有所述基体树脂的情况下,由于通过与其中含有的导体接触和隧道效应产生电流,相比于其中的电子运动相对较自由的烧结型电极,等效串联电阻(ESR)可能相对较高。
然而,根据本发明的一种具体实施方式,所述导电树脂层含有所述碳纳米管,以提供相比于根据相关技术的多层陶瓷电子元件,ESR降低的多层陶瓷电子元件。
例如,所述碳纳米管可以附着到第一导体颗粒或安置到第一导体之间以用于增加所述导电树脂层的传导性(conductivity)。
不同于本发明,在比第一导体尺寸更小的第二导体由包含在导电树脂层中的金属颗粒制成以改善导电树脂层的传导性的情况下,由于所述金属颗粒的氧化性质,第二导体的颗粒尺寸存在限制,从而不能获得改善导电树脂层的电导率(electric conductivity)和相比于根据本发明的导电树脂层降低ESR的显著效果,所述导电树脂层中所述第二导电体由碳纳米管制成。
更详细地,不同于本发明,在第二导体由金属颗粒制成的情况下,通过金属颗粒的氧化在第二导体表面上形成氧化薄膜,并且当形成第二导体具有指定尺寸或以下时,该第二导体可能被完全氧化。
换句话说,当由金属制成的第二导体的尺寸为指定的尺寸或更小,甚至当添加第二导体时,由于第二导体的氧化显著地改善导电树脂层的传导性回会是困难的。在增加颗粒尺寸以防止第二导体氧化的情况下,可以降低增加导体间接触点的效果。
然而,如本发明中,当第二导体由碳纳米管制成时,因为可以加入具有相对地显著小的尺寸的第二导体,可以显著地增加导体间的接触点。详细地说,因为碳纳米管不会在空气气氛中被氧化同时具有显著小的直径,降低所述导电树脂层的ESR的效应可以相比于使用完好的金属颗粒作为第二导体的情况是较为出色的。
并且,在所述第二导体由碳纳米管构成的情况下,通过在所述第一导体之间安置碳纳米管可以形成导电通道(conductive channel),因此,可以增加隧道效应,从而降低ESR。
根据本发明的一种具体实施方式,导电树脂层132可以含有第一导体32a、碳纳米管32b和基体树脂32c,并且以该导电树脂层的总体积为基准,可以具有所述第一导体的含量为约33-60vol%。
在所述第一导体为金属颗粒的情况下,以该导电树脂层的总体积为基准,所述导电树脂层可以具有的金属颗粒的含量为约33-60vol%。
在第一导体的含量少于约33vol%的情况下,由于导体间间距的增加可以增加导电树脂层的电阻,而且在第一导体的含量大于约60vol%的情况下,由于导电树脂层中基体树脂的含量降低可以降低导电树脂层到电极层的粘合力。
根据本发明的具体实施方式,导电树脂层132可以含有的基体树脂32c的量约为38-65vol%。在所述基体树脂的含量少于约38vol%的情况下,所述导电树脂层到电极层的粘合力可以降低,而在所述基体树脂的含量大于约65vol%的情况下,所述导电树脂层的电阻可以增加,并且在所述导电树脂层上形成所述镀层时,可以发生非电镀现象(non-plating phenomenon),其中在所述导电树脂层表面上不均匀地形成镀层。
根据本发明的具体实施方式,导电树脂层132可以具有的碳纳米管32b的含量为约0.5-10vol%。换句话说,被所述碳纳米管占据的所述导电树脂层的体积可以为约0.5-10vol%。
更详细地,导电树脂层132可以具有的碳纳米管32b的含量为约0.55-9.88vol%。
当以约10℃/min的速度且在氮气和氢气气氛下(99wt.%的N2和1wt.%的H2)将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃进行加热测试(热分解)根据本发明的一种具体实施方式的所述多层陶瓷电子元件时,该多层陶瓷电子元件的重量可以减少约0.33-2.19wt%,所述多层陶瓷电子元件包括具有碳纳米管32b的含量为约0.55-9.88vol%的导电树脂层132。
在所述导电树脂层中含有的所述碳纳米管的量小于约0.5vol%的情况下,并不会显著地存在降低ESR的效应。在所述碳纳米管的量大于约10vol%的情况下,所述碳纳米管完好颗粒的部分将增加,从而由于在所述电极层和导电树脂层间的分界面处,与电极层接触的基体树脂的面积降低,减弱了所述电极层和导电树脂层间的粘合力。
根据本发明的一种具体实施方式,导电树脂层132可以含有体积比为约100:1-100:20的基体树脂32c和碳纳米管32b。换句话说,所述导电树脂层中含有的基体树脂和碳纳米管的体积比可为约100:1-100:20(基体树脂:碳纳米管)。详细地说,所述导电树脂层中含有的碳纳米管和基体树脂的体积比可以为约1/100-1/5。
当所述多层陶瓷电子元件中的导电树脂层132含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的基体树脂32c和碳纳米管32b,并以约10℃/min的速度且在氮气和氢气气氛下(99wt.%的N2和1wt.%的H2)将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试(热分解)时,将所述多层陶瓷电子元件的重量下降率定义为A,以及,当将含有与根据本发明的这种具体实施方式的多层陶瓷电子元件同样比例的第一导体和基体树脂但不含有第二导体的对比电子元件以约10℃/min的速度且在氮气和氢气气氛下(99wt.%的N2和1wt.%的H2)将温度从室温升至约900℃时,将该对比电子元件的重量下降率定义为B,在这种情况下,A/B可为约1.43-9.52。
在所述导电树脂层中含有的基体树脂和碳纳米管的体积比小于约100:1的情况下,换句话说,在碳纳米管和基体树脂的体积比小于约1/100的情况下,增加所述导电通道的效应可能不会高,从而降低ESR的效应可能微乎其微。
在所述导电树脂层中含有的基体树脂和碳纳米管的体积比大于约100:20的情况下,换句话说,在碳纳米管和基体树脂的体积比大于约1/5的情况下,由于具有相对较小尺寸的碳纳米管的颗粒部分的增加,包围所述碳纳米管的基体树脂部分可能增加,而与所述电极层接触的基体树脂的面积可能降低。因此,在所述电极层和导电树脂层的分界面处的粘合力可能降低,从而导致所述电极层和导电树脂层间的分层缺陷(delamination defect)或胶带测试缺陷(tape test defect)。
所述胶带测试缺陷是指当具有指定级别或更高的粘合力的胶带附着到所述导电树脂层,然后再从该导电树脂层分离去时,所述导电树脂层将与所述电极层分离。
图5是说明根据实施例的多层陶瓷电子元件和对比例的多层陶瓷电子元件的加热测试(热分解)结果的曲线图。
在图5中所示的热分解中,在根据本发明的一种具体实施方式的多层陶瓷电子元件中(下文中,图5中被称为实施例并以“包含CNT(INCLUSIONOF CNT(carbon nanotubes))”表示),所述导电树脂层含有作为第一导体的铜颗粒、基体树脂和碳纳米管,体积比为约44.5:54.0:1.485(铜颗粒:基体树脂:碳纳米管),而在根据对比例的多层陶瓷电子元件中(下文中,在图5中以“不包含CNT(NON-INCLUSION OF CNT)”表示),其他组分和根据本发明的一种具体实施方式的多层陶瓷电子元件的组成相同,但是导电树脂层不含有碳纳米管,而是,含有作为第一导体的铜颗粒和基体树脂,体积比为约44.5:54.0(铜颗粒:基体树脂)。
以约10℃/min的速度且在氮气和氢气气氛下(99wt.%的N2和1wt.%的H2)将多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对实施例和对比例中的多层陶瓷电子元件进行加热测试(热分解)。
如图5中所示,可以理解的是在进行加热测试(热分解)后,实施例中的多层陶瓷电子元件的重量降低了约0.5wt.%,而对比例中的多层陶瓷电子元件的重量降低了约0.23wt.%。
此外,如图5中所示,可以理解的是实施例中的多层陶瓷电子元件的加热测试(热分解)行为曲线图具有拐点(inflection point)(I.P),且该拐点显示在约400℃。
如在本发明的一种具体实施方式中,当所述导电树脂层中含有体积比为约100:1-100:20的基体树脂和碳纳米管时,所述拐点可能出现在所述多层陶瓷电子元件的加热测试(热分解)行为曲线图的约300-500℃的区域中。
图6A为说明本发明的部件之一,即碳纳米管结构的简图,以及图6B为本发明的部件之一,即碳纳米管的示意图。
如图6A中所示,所述碳纳米管,根据本发明的多层陶瓷电子元件的成分,可以作为导体,其中由6个碳组成的六边形相互连接从而形成管状。
碳纳米管32b可以具有弹性,并且图6B简要地展示了将所述碳纳米管安置为线性。没有必要如图3中所示将所述碳纳米管安置在所述导电树脂层中,而是可以自由地安置为具有直线或曲线的形式。
更详细地,碳纳米管32b可以包括单层碳纳米管(single-walled carbonnanotube)和多层碳纳米管(multi-walled carbon nanotube)中的至少一种。
基体树脂32c可以为热固性树脂,包括环氧树脂,但并不限于此。
所述导电树脂层可以形成在所述电机层上,并用于防止镀液渗透进入电机层和陶瓷体中,并且可以吸收从外界施加的物理冲击以保护多层陶瓷电子元件。
然而,由于所述导电树脂层含有基体树脂,相比于电极层,一种烧结型电极,所述导电树脂层可以具有相对较低的电导率。
更详细地,在所述导电树脂层中,因为通过分散在基体树脂中的导体间的接触或隧道效应产生电流,当树脂的含量增加,ESR可以增加。
在降低所述导电树脂层中含有的基体树脂的含量并增加导体含量的情况下,ESR值可能稍微地降低,但是吸收外部冲击和防止镀液渗透的功能可能降低。
然而,根据本发明,由于所述导电树脂层含有所述碳纳米管,甚至在含有指定量的基体树脂用于吸收外部冲击和防止镀液渗透的情况下,可以实现相对较低的ESR值。
更详细地,所述碳纳米管可以分散在第一导体之间以增加第一导体间的接触,因此增加电流流过的通道,从而显著地降低ESR。
详细地,根据本发明的一种具体实施方式,当在所述导电树脂中含有具有纳米尺寸的碳纳米管时,根据双模系统理论(bimodal system theory)可以改善导电树脂层中的颗粒的占据率。
此外,由于所述碳纳米管具有弹性,可以进一步促进所述第一导体间的接触。
参照图6B,当将碳纳米管32b的直径定义为D且它的长度定义为L,所述碳纳米管的直径D可以在约1-100nm的范围内(1nm≤D≤100nm)。
当所述碳纳米管的直径D小于约1nm时,在制备所述导电树脂层的时候,在所述导电树脂层中含有的碳纳米管在分散过程中可能遭到破碎,并失去它们的导电效果。此外,当直径D大于约100nm时,因为增加了粗糙的线性固体成分,因此造成所述多层陶瓷电子元件的可靠性的恶化。
根据本发明的一种具体实施方式,L/D可为约1.0或以上(L/D≥1.0)。在L/D小于1.0的情况下,所述碳纳米管在所述第一导体颗粒之间形成电流通道的作用可能不显著,从而降低ESR的效应可能也不显著。
更详细地,根据本发明的一种具体实施方式,L/D可为约2.0或以上(L/D≥2.0)。
由于所述碳纳米管,一种具有纳米级直径的纤维形态的导体,相比于它的长度具有显著小的体积,甚至在以相对小的体积比加入的碳纳米管的情况下,所述碳纳米管可以增加在所述第一导体颗粒间的电流通道(一种导电通道),从而降低ESR。
另外,甚至当所述碳纳米管不直接接触所述第一导体时,由于隧道效应,所述碳纳米管可以安置在所述第一导体之间以增加电子移动的通道,从而有效地降低ESR。
并且,由于所述碳纳米管具有弹性,所述碳纳米管可以有效地安置在具有球形或片状的第一导体之间。
可以在所述导电树脂层上形成镀层(未显示)。所述镀层可以包括镍镀层和锡镀层。所述镍镀层可以安置在所述导电树脂层上,而所述锡镀层可以安置在所述镍镀层上。
然而,甚至当在所述导电树脂层上形成所述镀层时,上述加热测试(热分解)行为需要在通过打磨、蚀刻等将所述镀层移除后进行评价。
根据本发明的导电树脂层含有第一导体和碳纳米管,以提供具有相对较低ESR同时保持冲击吸收性能和镀液渗透防护性能的多层陶瓷电子元件。
制备多层陶瓷电子元件的方法
图7为说明根据本发明的另一种具体实施方式的制备多层陶瓷电子元件的方法的流程图。
参照图7,根据本发明的一种具体实施方式,制备所述多层陶瓷电容器的方法可以包括:(S1)形成包括介电层和内部电极的陶瓷体,(S2)形成与所述内部电极连接的电极层,(S3)向所述电极层施用含有第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电胶,以及(S4)固化所述导电胶以形成导电树脂层。
根据本发明的具体实施方式,在多层陶瓷电容器的制备方法的描述当中,将省略掉与本发明的前述实施方式中所描述的镀层陶瓷电子元件重复的描述。
在根据本发明的一种具体实施方式的制备多层陶瓷电子元件的方法中,首先,将含有如钛酸钡(BaTiO3)粉末等的浆液施用到载体膜上并干燥以制得多个陶瓷素坯片(ceramic green sheets),从而形成介电层和覆盖层。
所述陶瓷素坯片可以通过混合陶瓷粉末、粘合剂和溶剂以制得浆液并通过刮涂法(doctor blade method)将制得的浆液制成具有指定厚度的片。
然后,可以制备用于含有金属粉末的内部电极的导电浆料。
在通过丝网印刷的方法将用于内部电极的导电浆料施用到所述素坯片上以制得所述内部电极后,可以堆叠多个印刷有所述内部电极的素坯片,并且可以在该多层体的上表面和下表面上堆叠多个未印刷有所述内部电极的素坯片,接着进行烧结,从而制得陶瓷体110。所述陶瓷体可以包括内部电极121和内部电极122、介电层111和所述覆盖层。所述介电层可以通过烧结印刷有所述内部电极的素坯片来制得,以及所述覆盖层可以通过烧结未印刷有所述内部电极的素坯片来制得。
所述内部电极可以包括第一内部电极121和第二内部电极122。
可以将所述电极层形成至与所述内部电极电连接。
更详细地,第一电极层131a和第二电极层131b可以在所述陶瓷体的外表面形成从而分别与第一内部电极121和第二内部电极122电连接。所述第一和第二电极层可以通过烧结含有导电金属和玻璃的胶来制得。
所述导电金属没有特别的限定,但可以是,例如,选自由铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)以及它们的合金组成的组中的一种或多种。更详细地所述导电金属可以含有铜(Cu)。
所述玻璃没有特别的限定,但可以是与用于形成常规的多层陶瓷电容器的外部电极的玻璃相同组成的材料。
可以将含有所述第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电浆料使用到所述第一和第二电极层的外部。所述第一导体可以为球形的或片状的并且可以包括铜、银、镍或它们的合金的至少一种或多种,但并未限于此。
所述基体树脂可以为环氧树脂,一种热固性树脂。
所述导电树脂层可以通过加热固化所述导电浆料形成。
此外,可以在所述导电树脂层上形成镀层。
与所述多层陶瓷电子元件的制备方法相关的描述与那些在本发明的前述具体实施方式中所描述的多层陶瓷电子元件重复的部分将被省略以避免重复描述。
安装有多层陶瓷电子元件的电路板
图8为根据本发明的另一种实施方式的带有安装在其上的多层陶瓷电子元件的电路板的示意透视图,以及图9为沿着图8的B-B’截取的横截面图。
看考图8和9,根据具体实施方式带有安装在其上的多层陶瓷电子元件的电路板200可以包括印刷电路板210,在印刷电路板210上有形成的第一电极片221和第二电极片222;以及安装在该印刷电路板上的多层陶瓷电子元件100。所述多层陶瓷电子元件包括:包括介电层111、内部电极121和内部电极122的陶瓷体110,与所述内部电极连接的电极层130a和130b,以及形成在所述电极层上且含有第一导体、含碳纳米管的第二导体和基体树脂的导电树脂层132。当以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时,该多层陶瓷电子元件的重量将下降约0.33-2.19%。
根据本发明的具体实施方式,所述多层陶瓷电子元件可以进一步包括形成在该多层陶瓷电子元件的外部电极的表面上的镀层140。所述镀层可以在所述印刷电路板上安装所述多层陶瓷电子元件时改善与结合物的粘合力,从而改善所述多层陶瓷电子元件的安装性能。
镀层140可以形成在导电树脂层132上,而所述多层陶瓷电子元件的加热测试(热分解)可以在采用打磨法、蚀刻法等移除所述镀层后进行。
涉及具有安装的多层陶瓷电子元件的电路板的内容描述与那些在本发明的前述具体实施方式中所描述的多层陶瓷电子元件相重复的将被省略以避免重复描述。
试验实例
表1中的数据表明了根据多层陶瓷电子元件的导电树脂层中含有的碳纳米管的体积含量评估ESR和粘合缺陷比率(adhesion defect rates)而获得的结果,以及加热测试结果。
首先,将含有如钛酸钡(BaTiO3)粉末等的粉末的浆液施用到载体膜上并干燥以制得多个陶瓷素坯片,从而形成介电层。
然后,制备用于含有镍粉末颗粒的内部电极的导电浆料。将用于内部电极的导电浆料通过丝网印刷的方法施用到素坯片上以制得内部电极。随后,将100个或以上的素坯片进行堆叠以形成多个多层体。
其后,将所述多层体进行压缩、切割和烧结,并使得内部电极交替地暴露在陶瓷体的两个相互对立的端面上,从而形成六面体形状的陶瓷体并具有的尺寸为约1.6mm×0.8mm×0.8mm(长度×宽度×厚度)。然后,将所述陶瓷体进行打磨,并在所述陶瓷体的端面上形成与内部电极连接的烧结型电极层。
所述烧结型电极层是通过烧结含有铜粉和玻璃的浆料制成。
其后,将含有作为第一导体的铜粉末、作为基体树脂的环氧树脂和碳纳米管的导电树脂层形成在电极层上以具有如表1中所示的含量(基于体积),并在导电树脂层上形成镀层。然后,根据导电树脂层中碳纳米管的体积比评估ESR和粘合缺陷比率。
在表1的试验实例中,使用尺寸为约1μm-2μm的铜颗粒作为第一导体,并使用环氧树脂作为基体树脂。这里,形成导电树脂层具有约30μm的厚度。
在表1的试验实例中,导电树脂层含有第一导体:基体树脂的体积比为约44.5:54.0的第一导体和基体树脂。
采用ESR测量装置评估ESR,并通过观察当胶带以约1600gf的粘合力附着到导电树脂层上后再将胶带脱离该导电树脂层时,导电树脂层从电极层分离的速率评估粘合缺陷比率。更详细地,当胶带以约1600gf的粘合力附着到导电树脂层上后再将胶带脱离该导电树脂层时,当导电树脂层从电极层分离开时,将该多层陶瓷电子元件评价为一种有缺陷的产品。当导电树脂层未从电极层分离开时,则将该多层陶瓷电子元件评价为一种良好的产品。
通过以约10℃/min的速度且在氮气和氢气气氛下(99wt.%的N2和1wt.%的H2)将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃测量加热测试(热分解)的结果如图1所示,然后测量该多层陶瓷电子元件的重量下降率。然而,为了增加加热测试(热分解)结果的准确性,在导电树脂层上形成有镀层的情况下,测量的重量下降率基于去除了镀层的多层陶瓷电子元件。
表1
参照表1,可以理解的是,当导电树脂层中含有的碳纳米管的体积比率少于约0.5%时,那么降低ESR的效应为不显著,但是当体积比率为约0.5%或以上时,ESR显著地降低。
此外,可以理解的是,在导电树脂层中含有的碳纳米管的体积比率大于约10%的情况下,由于导电树脂层到电极层的粘合力的降低,粘合缺陷比率相对较高。
因此,可以理解的是,导电树脂层中含有的碳纳米管可有约0.5-10vol%的量。
详细地,导电树脂层可以有0.55-9.88vol%的碳纳米管含量。更详细地,导电树脂层可以有约0.55-9.43vol%的碳纳米管含量。
详细地,导电树脂层可以有约0.55-9.88vol%的碳纳米管含量。更详细地,所述导电树脂层可以有约0.55-9.43vol%的碳纳米管含量。
表2中所示的数据表明了通过根据多层陶瓷电子元件的导电树脂层中含有的基体树脂和碳纳米管的体积比评估导电树脂层的ESR和粘合缺陷比率而获得的结果,以及加热测试(热分解)的结果。
在表2的试验实例中的多层陶瓷电子元件是通过与表1的试验实例中使用的多层陶瓷电子元件中的相同的方法制成。在表2的试验实例中,导电树脂层含有第一导体:基体树脂的体积比为约44.5:54.0的第一导体和基体树脂。
以下表2中的ESR和粘合缺陷比率是通过与表1的试验实例中的同样的方法测定的。
表2中的热分解结果表明了加热测试后其他样品14-24的重量下降率与加热测试后样品13的重量下降率的相关性,在没有加入碳纳米管的试验实例样品13的基础上。
换句话说,当将加热测试后的样品13的重量下降率定义为A',以及将加热测试后的其他样品14-24中的一个的重量下降率定义为B',对B'/A'进行评价。
表2
参照表2,可以理解的是,在导电树脂层中的基体树脂和碳纳米管的体积比少于约100:1的情况下,降低ESR的效应并不显著,而当体积比为约100:1或以上时,ESR显著地降低。
此外,可以理解的是,在导电树脂层中的基体树脂和碳纳米管的体积比大于约100:20的情况下,由于导电树脂层对电极层的粘合力的降低,使得粘合缺陷比率相对较高。
因此,可以理解的是,在导电树脂层中的基体树脂和碳纳米管的体积比为约100:1-100:20。
下面的表3显示了根据在多层陶瓷电容器的导电树脂层中含有的第二导体的长度与第二导体的直径的比例(L/D)的变化,ESR的变化。在表3的试验实例中,使用与表1的试验实例相同的材料和方法形成多层陶瓷电子元件具有与表1的试验实例中同样的尺寸,从而在该导电树脂层中含有的第一导体、基体树脂和碳纳米管的体积比为约43.97:50.83:5.20(第一导体:基体树脂:碳纳米管)。
表3
样品 | L/D | ESR(mΩ) |
25 | 0.8 | 75.3 |
26 | 0.9 | 71.1 |
27 | 1 | 49.7 |
28 | 1.1 | 42.8 |
29 | 2 | 16.7 |
30 | 5 | 17.2 |
如表3中所示,可以理解的是,在L/D小于约1的情况下,ESR为70mΩ或以上,而在L/D为约1或以上的情况下,ESR显著地下降至小于50mΩ。此外,在L/D为约2或以上的情况下,ESR再次趋于显著下降。
所上面所示的,根据本发明的一些具体实施方式,可以提供具有冲击吸收和镀液防渗透性能以及低ESR的多层陶瓷电子元件及其制备方法,以及在安装有该多层陶瓷电子元件的电路板。
虽然对具体实施方式进行了上面的描述和展示,但本领域技术人员应当清楚的是可以在不违背如附带的权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下可以进行修改和变换。因此,上面的说明性的论述并非详尽无遗,或者并非意在将本发明限定在所公开的一模一样的形式上。
Claims (25)
1.一种多层陶瓷电子元件,该多层陶瓷电子元件包括:
包括介电层和内部电极的陶瓷体;
与所述内部电极连接的电极层;以及
形成在所述电极层上且包括第一导体、含有碳纳米管的第二导体和基体树脂的导电树脂层,
其中,当以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时,该多层陶瓷电子元件的重量将下降约0.33%-2.19%。
2.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,当将在以约10℃/min的速度将所述多层陶瓷电子元件的温度从室温升至约900℃从而对所述多层陶瓷电子元件进行加热测试时的重量下降率定义为A且将含有与所述多层陶瓷电子元件同样比例的第一导体和基体树脂但不含有第二导体的比较电子元件以约10℃/min的速度将它的温度从室温升至约900℃时的重量下降率定义为B时,A/B为约1.43-9.52。
3.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,表明所述多层陶瓷电子元件的加热测试步骤的温度-重量曲线图具有拐点,并且该拐点出现在约300-500℃的温度范围内。
4.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层具有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
5.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层含有所述第一导体的含量为约33-60vol%。
7.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,当将所述碳纳米管的直径定义为D时,D在约1-100nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述第一导体为球形或片状。
9.一种多层陶瓷电子元件,该多层陶瓷电子元件包括:
包括介电层和内部电极的陶瓷体;
与所述内部电极连接的电极层;以及
在所述电极层上形成的且含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂的导电树脂层,
其中,所述导电树脂层具有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
10.根据权利要求9所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层具有的金属颗粒的含量为约33-60vol%。
11.根据权利要求9所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层具有的基体树脂的含量为约38-65vol%。
12.根据权利要求9所述的多层陶瓷电子元件,其中,当将所述碳纳米管的直径定义为D时,D在约1-100nm的范围内。
13.一种多层陶瓷电子元件,该多层陶瓷电子元件包括:
包括介电层和内部电极的陶瓷体;
与所述内部电极连接的电极层;以及
在所述电极层上形成的且含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂的导电树脂层,
其中,所述导电树脂层含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
14.根据权利要求13所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层具有的金属颗粒的含量为约33-60vol%。
15.根据权利要求13所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层具有的基体树脂的含量为约38-65vol%。
16.一种制备多层陶瓷电子元件的方法,该方法包括:
形成包括介电层和内部电极的陶瓷体;
形成与所述内部电极连接的电极层;
向所述电极层施用含有第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电浆料;以及
固化所述导电浆料以形成导电树脂层,
其中,所述导电树脂层具有的碳纳米管的含量为约0.5-10vol%。
17.一种制备多层陶瓷电子元件的方法,该方法包括:
形成包括介电层和内部电极的陶瓷体;
形成与所述内部电极连接的电极层;
向所述电极层施用含有第一导体、碳纳米管和基体树脂的导电浆料;以及
固化所述导电浆料以形成导电树脂层,
其中,所述导电树脂层含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
18.一种安装有多层陶瓷电子元件的电路板,该电路板包括:
包括在印刷电路板上形成的第一和第二电极片的印刷电路板;以及
在所述印刷电路板上安装的权利要求9所述的多层陶瓷电子元件。
19.一种安装有多层陶瓷电子元件的电路板,该电路板包括:
包括在印刷电路板上形成的第一和第二电极片的印刷电路板;以及
在所述印刷电路板上安装的权利要求13所述的多层陶瓷电子元件。
20.一种多层陶瓷电子元件,该多层陶瓷电子元件包括:
包括多个交替的介电层和内部电极的陶瓷体;
与所述内部电极连接的一对相对的电极层;以及
安置在每个电极层上的导电树脂层,该导电树脂层含有金属颗粒、碳纳米管和基体树脂,
其中,所述导电树脂层含有约33-60vol%的所述金属颗粒以及约38-65vol%的所述基体树脂。
21.根据权利要求20所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层含有约0.5-10vol%的碳纳米管。
22.根据权利要求20所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述导电树脂层含有基体树脂:碳纳米管的体积比为约100:1-100:20的所述基体树脂和所述碳纳米管。
23.根据权利要求20所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述碳纳米管的直径D和长度L的比例满足的关系为L/D≥1.0。
24.根据权利要求20所述的多层陶瓷电子元件,其中,所述碳纳米管的直径D满足的关系为1nm≤D≤100nm。
25.一种安装有多层陶瓷电子元件的电路板,该电路板包括:
包括在印刷电路板上形成的第一和第二电极片的印刷电路板;以及
在所述印刷电路板上安装的权利要求20所述的多层陶瓷电子元件。
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