CN109302797B - 嵌入式电容及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式电容，属于嵌入式电子元件技术领域。该嵌入式电容，包括介电复合层、层叠于所述介电复合层两侧的无机介电层、以及层叠于所述无机介电层外侧的铜层；所述介电复合层由粉体和树脂的混合物制成；所述无机介电层为无机介电粉体层或金属氧化薄膜层，所述无机介电粉体层主要由粉体制成，所述金属氧化薄膜层主要由二氧化钛或氧化铝制成；所述铜层设有电容图案；所述粉体选自钛酸钡或钛酸锶中的至少一种。该嵌入式电容通过介电复合层和无机介电层的配合，极大降低了气泡对电容元器件的影响，避免了气泡引起的薄介电层易被击穿导致电容失效的问题，达到了增强击穿电压、提高使用寿命的优异效果。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式电子元件技术领域，特别是涉及一种嵌入式电容及其制备方法。
背景技术
在设计中加入嵌入式电容器能够节省PCB外层的空间，节省空间使PCB的体积更小、重量更轻、厚度更薄，并且不需要在板面上使用去耦电容，还可以去掉超过40％的旁路电容器，同时消除了焊接点，使产品可靠性得到了提高。
常规使用的嵌入式电容包括一种分布式电容或平面电容，主要是在铜层的基础上压上非常薄的介电绝缘层，一般以电源层/地层的形式成对出现，非常薄的介电绝缘层使电源层与地层之间的距离非常小，得到的电容量的大小取决于绝缘层的厚度和介电常数，同时还与电路板的尺寸有关系。
目前嵌入式电容材料主要来自三个品牌，3M：ECM(非常纤薄的陶瓷填充环氧树脂层)，DuPont Interra：HK04J(只使用聚酰亚胺作为介电芯)，Oak-Mitsui：FaradFlex(环氧树脂或其他树脂粘在高性能聚合物薄膜上)。
但目前市场上使用的电容存在极易使介电层被击穿，电容失效的问题，增加生产和使用成本。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种嵌入式电容，该电容不易使介电层被击穿，并且同时两电容串联可以提高电容的耐压，提升介电性能。
一种嵌入式电容，包括介电复合层、层叠于所述介电复合层两侧的无机介电层、以及层叠于所述无机介电层外侧的铜层；
所述介电复合层主要由粉体和树脂的混合物制成；
所述无机介电层为无机介电粉体层或金属氧化薄膜层，所述无机介电粉体层主要由粉体制成，所述金属氧化薄膜层主要由二氧化钛或氧化铝制成；
所述铜层设有电容图案；
所述粉体选自钛酸钡或钛酸锶中的至少一种。
本发明人在长期实践工作的基础上发现，目前市场上使用的电容存在介电层容易被击穿的问题，是由于目前市场上使用的电容中，其树脂在加热固化的过程中容易产生气泡，而对于非常薄的绝缘层而言，气泡的存在是致命的，极易使介电层被击穿，电容失效。
因此，基于上述发现，本发明的一种嵌入式电容，通过介电复合层和无机介电层的配合，极大降低了气泡对电容元器件的影响，避免了气泡引起的薄介电层易被击穿导致电容失效的问题，达到了增强击穿电压、提高使用寿命的优异效果。
在其中一个实施例中，所述无机介电层的厚度是0.1μm～50μm，所述介电复合层的厚度是0.1μm～50μm。所述无机介电层的厚度优选1μm～10μm，所述介电复合层的厚度优选5μm～20μm。上述厚度使得制备得到的嵌入式电容器厚度更薄，能够节省PCB的空间。
在其中一个实施例中，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、酸酐树脂和聚酰亚胺树脂中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述无机介电层中，所述粉体在所述树脂中的质量百分数为30～50％。将所述粉体的添加量控制在上述范围内，具有粉体分散均匀且微观结构致密的优点。
本发明还公开了上述的嵌入式电容的制备方法，包括以下步骤：
制备无机介电层：将粉体加入溶剂中制成浆料，均匀涂布于铜层表面，固化形成无机介电层；或在铜层表面真空溅射金属钛或铝薄膜，氧化处理后形成二氧化钛或氧化铝薄膜层；
制备介电复合层：将粉体加入溶剂中分散，再与树脂溶液混合搅拌，加入固化剂制成介电复合涂料，均匀涂布于所述无机介电层表面，预固化，形成介电复合层；
压合：将上述制备得到的具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对而叠合，辊压后再进行固化，得到嵌入式电容材料；
图像制作：对上述嵌入式电容材料的铜层进行图像制作，即得。
上述嵌入式电容的制备方法，通过介电复合层和无机介电层的配合，极大降低了气泡对电容元器件的影响，避免了气泡引起的薄介电层易被击穿导致电容失效的问题。
在其中一个实施例中，所述溶剂选自：乙醇、乙二醇、乙酸丁酯、二甘醇、正丁醇、正戊醇、二甲苯、丙酮中的至少一种；所述氧化处理的方式为氧气气氛中烧结或电化学阳极氧化。
在其中一个实施例中，所述辊压条件为：温度为100～200℃，压力为30～600kPa，速度为0.3～1.5cm/sec。以上述条件进行辊压，具有较好的效果。
在其中一个实施例中，所述固化剂选自：顺丁烯二酸酐、均苯四甲酸二酐、邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐中的至少一种；所述预固化的条件为：温度为150～180℃，时间为2～10min；辊压后固化条件为：温度为200～400℃，时间为60～150min。以上述条件进行固化，具有较好的固化效果。
在其中一个实施例中，所述图像制作步骤中，于所述铜层两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案，显影蚀刻除去铜层，再经脱模后即得所述嵌入式电容。
在其中一个实施例中，所述压合步骤和图像制作步骤之间还包括去除铜层表面氧化膜的酸洗步骤，所述酸洗步骤采用浓度为5％～20％的硫酸或硝酸水溶液进行，酸洗时间为1～10min；酸洗后烘干。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种嵌入式电容，通过介电复合层和无机介电层的配合，极大降低了气泡对电容元器件的影响，避免了气泡引起的薄介电层易被击穿导致电容失效的问题，达到了增强击穿电压、提高使用寿命的优异效果。
本发明的一种嵌入式电容的制备方法，具有步骤简单、操作方便的优点，适用于工业化推广使用。
附图说明
图1为实施例中嵌入式电容结构示意图；
图2为实施例中嵌入式电容的制备方法的工艺流程示意图。
其中：1-粉体溶液，2-树脂溶液，3-混合溶液，4-溶剂蒸发后加入固化剂，5-铜层，6-无机介电层，7-介电复合层，8-叠层辊压，9-电容图案。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施例中的嵌入式电容结构如图1所示，包括介电复合层7、层叠于所述介电复合层两侧的无机介电层6、以及层叠于所述无机介电层外侧的铜层5。
上述介电复合层主要由粉体和树脂的混合物制成，可以理解的，该介电复合层中还包括固化剂等成分，具体添加根据实际需要确定，如固化树脂所需的固化剂，根据不同的需求添加的少量添加剂等，但其中起到解决介电层易被击穿作用的成分为粉体和树脂的混合物；上述无机介电层为无机介电粉体层或金属氧化薄膜层，上述无机介电粉体层主要由粉体制成，上述金属氧化薄膜层主要由二氧化钛或氧化铝制成；上述铜层5设有电容图案9；上述粉体选自钛酸钡或钛酸锶中的至少一种。
上述嵌入式电容的制备方法工艺流程如图2所示，包括：
一、制备无机介电层：将粉体加入溶剂中制成浆料，均匀涂布于铜层5表面，固化形成无机介电层6；或在铜层表面真空溅射金属钛或铝薄膜，氧化处理后形成二氧化钛或氧化铝薄膜层作为无机介电层6；所述溶剂选自：乙醇、乙二醇、乙酸丁酯、二甘醇、正丁醇、正戊醇、二甲苯、丙酮中的至少一种；可以理解的，所述氧化处理的方式采用常规的氧气气氛中烧结或电化学阳极氧化即可。
二、制备介电复合层：将粉体加入溶剂中分散，形成粉体溶液1，再与树脂溶液2混合搅拌，得到混合溶液3，溶剂蒸发后加入固化剂4制成介电复合涂料，均匀涂布于所述无机介电层表面，预固化，形成介电复合层7。
上述预固化条件优选：温度为150～180℃，时间为2～10min。
三、压合：将上述制备得到的具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对而叠合，叠层辊压8后再进行固化，得到嵌入式电容材料。
上述辊压条件优选：温度为100～200℃，压力为30～600kPa，速度为0.3～1.5cm/sec。辊压后固化条件优选：温度为200～400℃，时间为60～150min。
四、酸洗：采用浓度为5％～20％的硫酸或硝酸水溶液进行酸洗，酸洗时间为1～10min；去除铜层表面氧化膜，酸洗后水洗烘干。
五、图像制作：对上述嵌入式电容材料的铜层进行图像制作，于所述铜层两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案9，显影蚀刻出去铜层，再经脱模后即得所述嵌入式电容，即得。
实施例1
一种嵌入式电容，通过以下方法制备得到：
一、制备无机介电层：
将钛酸钡、钛酸锶混合粉体加入到正丁醇中制成浆料，均匀涂布在铜层表面后进行固化，固化温度为150℃，时间60min，固化后涂层厚度5μm。
二、制备介电复合层：
将分散在溶剂中的钛酸钡和钛酸锶混合粉体(质量比为1:1)与环氧树脂溶液混合搅拌，溶剂蒸发后加入顺丁烯二酸酐制成介电复合涂料(粉体占树脂的30wt％)，均匀涂布在无机介电层表面后进行预固化，预固化温度为150℃，时间10min。
三、压合：
将两块具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对叠合，100℃、200kPa条件辊压后再进行固化，固化条件250℃，时间60min，固化后的介电复合层厚度10μm，最后得到嵌入式电容材料。
四、酸洗：
用10％硫酸水溶液酸洗2min，去除铜层表面氧化膜，然后进行水洗烘干。
五、图像制作：
上述得到的嵌入式电容材料两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案，显影蚀刻出去铜层，再经脱模后可以获得嵌入式电容元件。
实施例2
一、制备无机介电层：
将钛酸钡粉体加入到乙酸丁酯中制成浆料，均匀涂布在铜层表面后进行固化，固化温度为200℃，时间30min，固化后涂层厚度10μm；
二、制备介电复合层：
将分散在溶剂中的钛酸钡粉体与环氧树脂和酸酐树脂溶液混合搅拌，加入邻苯二甲酸酐制成介电复合涂料(粉体占树脂的50wt％)，均匀涂布在无机介电层表面后进行预固化，预固化温度为180℃，时间5min；
三、压合：
将两块具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对叠合，150℃、100kPa条件辊压后再进行固化，固化条件200℃，时间100min，固化后的介电复合层厚度20μm，最后得到嵌入式电容材料。
四、酸洗：
用5％硫酸水溶液酸洗5min，去除铜层表面氧化膜，然后进行水洗烘干；
五、图像制作：
上述得到的嵌入式电容材料两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案，显影蚀刻出去铜层，再经脱模后可以获得嵌入式电容元件。
实施例3
一、制备无机介电层：
在铜层表面真空溅射一层5μm的金属钛薄膜，在氧气气氛中烧结后形成二氧化钛薄膜。
二、制备介电复合层：
将分散在溶剂中的钛酸钡粉体与环氧树脂混合搅拌，加入偏苯三甲酸酐制成介电复合涂料(粉体占树脂的50wt％)，均匀涂布在无机介电层表面后进行预固化，预固化温度为180℃，时间5min；
三、压合：
将两块具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对叠合，150℃、100kPa条件辊压后再进行固化，固化条件200℃，时间100min，固化后的介电复合层厚度20μm，最后得到嵌入式电容材料；
四、酸洗：
用5％硫酸水溶液酸洗5min，去除铜层表面氧化膜，然后进行水洗烘干；
五、图像制作：
上述得到的嵌入式电容材料两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案，显影蚀刻出去铜层，再经脱模后可以获得嵌入式电容元件。
对比例1
一种嵌入式电容，其结构与实施例1中的结构相似，区别在于该对比例1中的无机介电层为由导电性树脂层，该导电性树脂层由树脂和导电性炭黑构成，作为导电层，进一步降低介电层厚度提高电容密度。但该电容依旧面临介电层厚度降低、树脂固化产生气泡带来的电容易击穿的问题。
实验例
将上述实施例制备得到的嵌入式电容进行性能测试，具体方法为：通过上述实施例1-3的实验方案制作不同尺寸的嵌入式电容元器件：1×1mm，2×2mm，3×3mm，4×4mm，5×5mm五种，所有电容元器件在1kHz的频率下测试电容，算得电容密度。
测试结果为：在1kHz的频率下电容密度1.2～1.3nF/cm2。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种嵌入式电容的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备无机介电层：将粉体加入溶剂中制成浆料，均匀涂布于铜层表面，固化形成无机介电层；所述无机介电层为无机介电粉体层，所述无机介电粉体层主要由粉体制成，所述无机介电层的厚度是0.1μm～50μm；
制备介电复合层：将粉体加入溶剂中分散，再与树脂溶液混合搅拌，加入固化剂制成介电复合涂料，均匀涂布于所述无机介电层表面，预固化，形成介电复合层；所述介电复合层主要由粉体和树脂的混合物制成，所述粉体在所述树脂中的质量百分数为30～50％，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、酸酐树脂和聚酰亚胺树脂中的至少一种，所述介电复合层的厚度是0.1μm～50μm；
压合：将上述制备得到的具有无机介电层和介电复合层的板材以介电复合层相对而叠合，辊压后再进行固化，得到嵌入式电容材料，所述辊压条件为：温度为100～200℃，压力为30～600kPa，速度为0.3～1.5cm/sec；
图像制作：对上述嵌入式电容材料的铜层进行图像制作，即得；
所述粉体选自钛酸钡或钛酸锶中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的嵌入式电容的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自：乙醇、乙二醇、乙酸丁酯、二甘醇、正丁醇、正戊醇、二甲苯、丙酮中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的嵌入式电容的制备方法，其特征在于，所述固化剂选自：顺丁烯二酸酐、均苯四甲酸二酐、邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐中的至少一种；所述预固化的条件为：温度为150～180℃，时间为2～10min；辊压后固化条件为：温度为200～400℃，时间为60～150min。
4.根据权利要求1所述的嵌入式电容的制备方法，其特征在于，所述图像制作步骤中，于所述铜层两面贴干膜，一面曝光保护，一面图像转移获得所需电容图案，显影蚀刻除去铜层，再经脱模后即得所述嵌入式电容。
5.根据权利要求1所述的嵌入式电容的制备方法，其特征在于，所述压合步骤和图像制作步骤之间还包括去除铜层表面氧化膜的酸洗步骤，所述酸洗步骤采用浓度为5％～20％的硫酸或硝酸水溶液进行，酸洗时间为1～10min；酸洗后烘干。
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