CN110169215B - 具有可挠性端子的电子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一个包括本体和至少一个端子之电子组件，该端子用于将该本体焊接到该载体，该端子包括：安置在该本体的表面上之电极；形成在该电极上及/或由该电极环绕之释气层，其中，该释气层于加热时系经配置以释气；以及形成在该释气层上之导电覆盖层，其中，该覆盖层电性连接至该电极，并以气密方式在该覆盖层和该电极之间密封该释气层。

Description

具有可挠性端子的电子组件
技术领域
本发明涉及电子组件，其包括本体和至少一个用于将本体焊接到载体（例如电子芯片型组件）之端子。
背景技术
主动和被动电子芯片型组件通常用于电子设备中。绝大多数现代被动组件，例如电阻器、电容器、电感器、热敏电阻器、压敏电阻器以及熔丝都是无引线芯片组件，其包括形成为具有金属化端部的刚性陶瓷平行六面体之芯片本体。金属化端部用作组件的端子并焊接至载体，例如印刷电路板（PCB）。举例而言，芯片之芯片本体的一侧、三侧或五侧上的端子端部可经金属化。
尽管无引线芯片组件更小，而且比具有引线和冲压端子之传统引线组件具有更高的带宽和更低的价格，但它们也可以形成载体的坚固焊接接头。载体的弯曲或振动可能导致此刚性焊接接头中的疲劳裂痕，这导致芯片组件与板电性断开及/或机械断开。
除了板弯曲和振动之外，疲劳裂痕还可能由周围温度循环引起，亦即，使载体经受极端和迅速的温度变化。芯片组件主要系用陶瓷制造，陶瓷具有相对低的膨胀温度系数（TCE，以ppm/K表示）。例如，氧化铝陶瓷的TCE为约6 ppm/K，而典型的玻璃-聚合物板的TCE为约18 ppm/K。这些TCE值的差称为TCE不匹配。由于组件通过宽的温度范围循环，TCE不匹配会导致芯片组件和电路板以不同的速率膨胀，从而导致焊接接头中出现疲劳裂痕。
由于振动和温度循环经常出现在汽车和航空航天应用中，已经努力抵消焊接材料的疲劳裂痕以及由此导致的芯片组件与载体的电性断开和机械断开。例如，在刚性芯片组件体上可提供可挠性引线或端子。然而，此等引线或端子增加了组件的尺寸和成本。
藉由以导电弹性树脂膜涂覆端子电极，而也可以形成与板的可挠性连接。导电弹性树脂薄膜系由复合材料、经金属填充之聚合物制成，且系经镀覆以形成可焊接的金属镀膜。为了利用导电树脂薄膜的弹性，导电性树脂薄膜上面的金属层通常不与组件本体形成直接机械连接。缺少直接连接会导致电流依序流过镀覆层、导电性树脂层以及端子电极。然而，导电弹性树脂膜的电阻率是非线性的，并且高于通常用于建构端子电极的金属（例如镍或铜）的电阻率数倍。与其中电流仅流过端子的金属部分的芯片组件相比，这损害了芯片组件的电特性。
因此，仍然需要具有增进的电特性的更耐用的芯片组件，特别是对于涉及温度循环和振动的电子应用。
发明内容
据此，电子组件包括本体和至少一个用于将本体焊接到载体之端子，该端子包括：安置在本体的表面上之电极；形成在电极上及/或由电极环绕之释气层，其中，该释气层于加热(特别是在焊接温度下)时，系经配置以释气；导电覆盖层形成于释气层上，其中，覆盖层为电性连接至电极（较佳为直接电性连接至电极，或经由导电中间层电性连接至电极），并以气气方式在覆盖层和电极之间密封释气层。
释气层意指形成释气层的材料，例如导电聚合物，在室温处于安定状态。当焊接期间加热材料时，材料发生化学分解，释放出气体。举例而言，当释气层的材料系经金属填充（诸如经金属填充之聚硅氧）之聚合物时，其热分解（亦即破坏）可能导致水蒸汽、二氧化碳和气态有机化合物之逸出。
焊接温度（亦即，用于安装组件并将其电连接到载体上的焊料的熔化范围）会取决于焊接材料而不同，例如典型无铅焊料的熔化温度范围为211°C至220°C。释气温度是形成释气层的材料的性质，并且较佳为高于室温。
释气层可以完全形成在端子的电极上，或者可以(部分或完整地)形成在电子组件的本体、电极、或电极包围释气层的部分上，致使其可与覆盖层一起形成气密之密封。当将本体焊接到载体上时，释气层系经覆盖层密封，以在电极和覆盖层之间形成经密封之气体体积。特别地，一旦释气层已经加热到释气层温度，则释放释气层经分解所产生的气体。然而，由于系以气密方式在覆盖层和电极之间密封释气层，因此，覆盖层膨胀以形成中空、可挠性外壳。可挠性意指覆盖层可以膨胀，并由此弯曲及/或在不破裂下进行一定程度的拉伸。覆盖层可为、但不一定是弹性的，亦即，在组件经加热至焊接温度之前能够恢复其原始尺寸。
可挠性外壳可减少由电子组件和载体之间的TCE不匹配以及载体的机械弯曲引起的焊接接头在端子和载体（例如PCB）之间的机械应力。结果，与具有刚性焊接接头的芯片组件相比，所安装的电子组件能够承受更高数目的热循环和振动，这增加了电子装置的整体可靠性。此外，所述端子设计提供了不会实质增加电子组件的整体尺寸之可挠性端子。
此外，所提出的端子设计可确保电流流过金属组件，但不是保持端子的高电线性和导电性之复合组件。这导致安装的组件的电特性得到改善。
本申请涉及的电子组件可为电子芯片型组件，其于端子之如一侧、三侧或五侧上具有金属。
根据一个具体例，形成本体的材料包含陶瓷，例如氧化铝陶瓷。虽然本揭示内容主要涉及基于陶瓷的组件，该概念适用于可能导致电子组件本体与载体之间之TCE不匹配的材料的任何组合。如此，在本发明的范畴内，本体可以包括任何其它种类的基板。所涉及的材料可以包括混合陶瓷基板、不基于陶瓷的组件或材料的任何其他合适的组合（例如金属和非金属材料的组合）中的任何一者。例如，本体可以由一个组件（例如，钽电容器）形成，该组件藉由绝缘化合物共形涂覆或模制，并具有金属化端部（亦即，端子）。另一个例子可为具有多层陶瓷电容器或多层压敏电阻器的金属化端部之本体。
根据另一个具体例，覆盖层包含具有弹性模数之材料，该弹性模数高于释气层所包含之材料的弹性模量。较佳地，覆盖层所包含的材料的弹性模数高于释气层所包含的材料的弹性模数数倍。举例而言，包含铬的覆盖层具有约200 GPa的弹性模数，而包含经金属填充之聚合物的胶冻状聚合物释气层具有约0.01 MPa的弹性模数。当覆盖层膨胀时，释气层的相对低的弹性模数使覆盖层自由弯曲。
根据另一具体例，释气层和覆盖层之间的黏着性大于释气层和电极表面之间的黏着性。与电极表面相对低的黏着性使释气层与电极表面分离，从而使覆盖层膨胀以形成中空可挠性外壳，同时维持黏着膨胀后的覆盖层。
如上述，在一个具体例中，释气层可以包括导电聚合物。
根据另一具体例，释气层包含经金属填充之聚硅氧，例如已知在高于250℃的温度充分释气的经银填充之聚硅氧。或者，形成释气层的材料可以包括任何可镀覆的非安定材料，其在焊接温度分解和逸出气体。释气层是导电的，并且可以通过覆盖层与电极的任何暴露的部分一起镀覆。
根据一个有利的具体例，覆盖层是可挠性的，以允许变形并且当释气层脱气时保持气密性。根据一个具体例，形成覆盖层的材料包括、但不限于铜及/或镍。覆盖层还用作浸出屏障，以防止电极的暴露部分在焊接过程中于熔融焊料中溶解。
根据另一个具体例，释气层沉积在电极远离芯片本体之表面上，该电极表面包括未经释气层覆盖的密封界限（例如，缘边），且覆盖层于该密封界限电性连接至电极。经暴露之密封界限在电极表面和覆盖层之间提供特别气密之密封和金属导电。较佳地，密封界限在释气层周围形成封闭的圆周。
根据另一个具体例，电子组件进一步包括经镀覆之精加工层，其促进焊接并沉积在覆盖层上（特别是在覆盖层的一部分或多个部分上或在完整覆盖层上）。经镀覆之精加工层可能包括、但不限于锡、锡-铅合金或金。
根据另一个具体例，释气层系藉由网印至一个或多个电极表面上而经配置。或者，释气层可藉由在导电聚合物油墨中浸泡而形成。这两个替代性具体例都能够使用用于制造传统无引线芯片组件的相同设备和主要材料来制造可挠性端子。
如所解释的，根据前述具体例中的任一个的电子组件（亦即，具有形成在电极上之释气层并且具有形成在释气层和电极之覆盖层）系用于将电子组件焊接到载体，其中该电子组件的该释气层在焊接过程中释气，并且使覆盖层膨胀以在电极和覆盖层之间形成经气体填充之体积。
此外，提供包括电子组件和载体的设备，其中根据前述实施例中任一者的电子组件通过焊接接头连接到载体，其中在该电极和该覆盖层之间形成经气体填充之体积。
此外，提供了一种将根据前述具体例中任一者的电子组件焊接到载体的方法，其包括以下步骤：提供电子组件；提供具有至少一个连接垫之载体；以及将电子组件的至少一个端子焊接到载体的至少一个连接垫上，其中该至少一个端子的释气层释气，并在至少一个端子之电极和覆盖层之间形成经气体填充之体积。
焊接后，释气层不起作用，且对端子的机械或电气性能也没有可察觉的影响。在本发明的范畴内，因此不是必须使释气层形成在端子的电极上，亦即，这只是允许更容易制造的较佳具体例。然而，为了以气密方式在覆盖层和电极之间密封释气层之目的，原则上若释气层至少系由电极环绕，特别是以封闭方式中圆周环绕即可。例如，释气层可以部分地或完全地安置在电子组件的本体的表面上。
为了解释的目的，下图中显示了电子组件的数个具体例。
附图说明
图1A显示了在安装在载体上之前，穿过芯片组件的一个具体例的端子的局部横截面图，其中金属形成在该芯片组件的三侧。
图1B显示了安装在载体上之后，穿过图1A的组件的局部横截面图。
图1C显示了在施加循环应力之后，穿过图1B的组件的局部横截面图。
图2A显示了在安装在载体上之前，穿过芯片组件的一个具体例的端子的局部横截面图，其中金属形成在该芯片组件的一侧。
图2B显示了安装在载体上之后，穿过图2A的组件的局部横截面图。
图2C显示了在施加循环应力之后，穿过图2B的组件的局部横截面图。
图3A显示了在安装在载体上之前，穿过芯片组件的一个具体例的端子的局部横截面图，其中金属形成在该芯片组件的五侧。
图3B显示了在安装到载体上之后，穿过图3A的组件的局部横截面图。
图3C显示出了在施加循环应力之后，穿过图3B的组件的局部横截面图。
具体实施方式
图式和以下描述使用对于各种具体例共同的组件的组件符号(相同的组件符号或以100增加)。
图1A至1C显示了穿过包括芯片本体102和用于将芯片本体102焊接到载体（例如，电路板或PCB）的芯片端子的电子组件的局部横截面图，该芯片端子系由图1B和1C中的焊垫118所示意地表示。图1的电子组件具有三面金属，所以芯片端子包含下电极104、上电极106、以及电性连接上电极和下电极104、106的正面金属108。标号“上”是指从芯片本体102远离载体的一侧，而“下”是指芯片本体102朝向载体的一侧。类似地，尽管图1仅示出组件的局部横截面图，但应理解，图中未显示的组件端部可具有与图1A至1C相同的配置。
下电极104提供有释气层，该释气层系由将一层可镀覆的导电聚合物层110沉积在下电极104的表面而形成，使得释气层（导电聚合物层110）形成在电极（下电极104）上且由电极环绕。导电镀覆层系由经镀覆之阻障层112形成，沉积在导电聚合物层110的外表面上（导电聚合物层110之远离下电极104的表面），沉积在下电极104的暴露部分上，沉积在正面金属108上，以及沉积在上电极106上。阻障层112电性连接至下电极104，并以气密方式在阻障层112和下电极104之间密封导电聚合物层110。阻障层112系经促使将组件100焊接到电路板之经镀覆之精加工层114涂覆。
如图1B所示，藉由在端子和提供在载体上之焊垫118之间形成的焊接接头116，图1A的组件被安装到载体上，这导致精加工层114的一部分溶解成焊料116（图1B和1C）。在焊接过程中，端子的温度升高，造成导电聚合物层110在形成于阻障层112和下电极104之间之密封空间内释放气体，亦即，释气。释放的气体使阻障层112膨胀，以形成中空可挠性外壳120。为此，形成导电覆盖层(经镀覆之阻障层112)的材料具有足够的可挠性。
中空可挠性外壳120的尺寸基本上由选用为导电聚合物层110的体积和材料所决定，其决定了当加热聚合物层110至释气温度时释放的气体量。中空可挠性外壳120包括由阻障层112的边缘部分112e界定的边缘部分120e。边缘部分112e形成的界限对应于中空可挠性外壳120的密封界限，于此处阻障层112和下电极104的表面的边缘部分105（图1A）之间有直接接触，并且对应于阻障层112的可挠性部分和阻障层112的刚性部分之间的分界。如图1B所示，焊料116最初皆连接至阻障层112的刚性部分和可挠性部分。
当所选择之形成导电聚合物层110的材料对阻障层112具有比对下电极104的表面更高的相对黏着力时，易于形成中空可挠性外壳120。换句话说，导电聚合物层110对电极表面具有低的黏着性，这造成当导电聚合物层110释气时，导电聚合物层110与电极104分离，并维持在阻障层112上方。
图1C显示了一旦已形成焊接接头116，整个组合件可以经受温度循环及/或振动，造成在焊接接头116和阻障层112之间形成裂痕122。循环次数的增加导致裂痕122沿着包括阻障层112的部分112e的端子的刚性界面扩散。裂痕122的持续扩张导致中空可挠性外壳120的边缘120e暴露。一旦中空可挠性外壳120之边缘部分120e已暴露，组件100的芯片端子仅经由阻障层112的可挠性部分电性和机械连接至焊料116，形成端子与焊垫118的可挠性连接。连接的可挠性质降低了焊接接头中的机械应力，阻碍了裂痕122的进一步扩散，并提高了连接承受循环应力的整体能力。
同时，保持电连接，并且电流仍然能够经由由金属制成的导电体112从端子104、106传递到载体（电路板）之焊垫118，并且因此具有金属型（高和线性）导电性。以这种方式，电子组件100提供机械可挠性端子，但不损害组件100的电特性。以此方式，就保证了可挠性端子的高导电性和线性度。
图2A至2C基本上对应于图1A至1C，但是显示了电子组件200的进一步实施例，该电子组件200仅在芯片端子的一侧具有金属。因此，组件200仅包括于其上分别沉积释气层（导电聚合物层210）和覆盖层（经镀覆之阻障层212）的下电极204。再次，阻障层212系由精加工层214涂覆。如图2B中所示，当端子（特别是导电聚合物层210）于焊接期间加热时，导电聚合物层210释气，造成阻障层212形成中空可挠性外壳220。如图2C中所示，因为阻障层212的可挠性部分保留了焊接接头116和下电极204之间的机械和电连接，由于温度循环及/或振动引起的焊接接头116和阻障层212之间形成的裂痕122免于沿着整个端子扩散。
图3A至3C显示了在端子的五侧具有金属的电子组件300的进一步具体例。该端子包括电极304，该电极304围绕芯片本体302的端部之圆周且完全覆盖其前表面。释气层（导电聚合物层310）形成于电极304的前表面、及上、下以及两侧表面之部分上（排除边缘部分305），因此包围芯片本体302之边缘和端子（而图1和2中所示具体例的导电聚合物层310仅安置在个别的下电极104、204上）。覆盖层（阻障层312）沿着层310的边缘沿着芯片本体302的完整圆周，完整覆盖导电聚合物层310和电极304的边缘部分305。
由于导电聚合物层310的配置，因此阻障层312的边缘部分312e安置在芯片本体302的上、下以及两侧表面上。当焊料116未延伸到芯片端子的上表面上时，只有提供在芯片端子的下侧的边缘部分312e（以及可能提供在两侧表面上的边缘部分312e的部分）与焊料116接触。因此，当电子组件300受到机械及/或热应力时，裂痕122基本形成在芯片端子的底侧上（图3C）。气体体积主要形成在芯片本体302的前表面，但延伸到上、下以及两侧表面。焊接接头16于芯片本体302的前表面和中空可挠性外壳320保持接触（如图3C的左侧部分所示），以及与芯片本体302的下和两侧表面的部分保持接触。
图1至3所示的具体例可以、但不一定是使用现有芯片制造技术制造的。对于在一侧或三侧具有金属之组件100、200，导电聚合物层110、210可为如网印至下电极104、204的外表面的中间部分上。导电聚合物层110、210的网印步骤较佳为在制造组件100、200期间的最终网印操作。
相反地，导电聚合物层310可藉由将电极304浸泡入导电聚合物油墨中，而沉积在于五侧有金属之电子组件300上。浸泡步骤较佳在镀覆端子之前进行。此外，较佳在浸泡步骤期间确保电极304的边缘部分305仍未经导电聚合物油墨覆盖。
在沉积导电聚合物层110、210、310之后，施加阻障层112、212、312以在电极104、204、304和阻障层112、212、312之间密封聚合物层110、210、310。具体地，边缘部分112e、212e、312e形成密封界限，于此处电极104、204、304（缘边部分105、305）与阻障层112、212、312之间有直接接触。在已施加阻障层112、212、312之后，将视需要的精加工层114、214、314镀覆在阻障层112、212、312上以完成芯片端子。
在沉积导电聚合物层110、210、310之后进行制造步骤之期间，将组合物100、200、300的温度保持在导电聚合物层110、210、310的释气温度下，直到发生焊接为止。
参考编号列表
100、200、300 电子组件
102、202、302 芯片本体
104、204、304 下电极或电极
105、305 缘边部分
106 上电极
108 正面金属
110、210、310 释气层或导电聚合物层
112、212、312 覆盖层或经镀覆之阻障层
112e、212e、312e 经镀覆之阻障层之边缘部分
114、214、314 经镀覆之精加工层
116 焊接接头
118 焊垫
120、220、320 中空可挠性外壳
120e、220e、320e 中空可挠性外壳之边缘部分
122 疲劳裂痕

Claims (13)

1.一种电子组件(100；200；300)，其特征在于，包括本体(102；202；302)以及至少一个端子，用于将所述本体(102；202；302)焊接到载体，其中，所述端子包括：
电极(104；204；304)，安置在所述本体(102；202；302)之表面上；
释气层(110；210；310)，形成在所述电极(104；204；304)上及/或由所述电极(104；204；304)环绕，其中，所述释气层(110；210；310)于加热时系经配置以释气；以及
导电覆盖层(112；212；312)，形成在所述释气层(110；210；310)上，其中，所述覆盖层(112；212；312)电性连接至所述电极(104；204；304)，而且以气密方式在所述覆盖层(112；212；312)和所述电极(104；204；304)之间形成密封，以密封所述释气层(110；210；310)。
2.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300) ，其特征在于，形成所述本体(102；202；302)之材料包含陶瓷。
3.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300) ，其特征在于，形成所述本体(102；202；302)之材料包含氧化铝陶瓷。
4.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述覆盖层(112；212；312)包含具有弹性模数之材料，所述弹性模数高于构成所述释气层(110；210；310)之材料之弹性模数。
5.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)和所述覆盖层(112；212；312)之间之黏着性大于所述释气层(110；210；310)和所述电极表面之间之黏着性。
6.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)包含导电聚合物。
7.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)包含经金属填充之聚硅氧。
8.如权利要求1所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述覆盖层(112；212；312)包含铜及/或镍。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)系沉积在所述电极(104；204；304)远离所述本体(102；202；302)之表面上，所述电极表面包括未经所述释气层(110；210；310)覆盖之密封界限(105；305)，所述覆盖层(112；212；312)于所述密封界限电性连接至所述电极(104；204；304)。
10.如权利要求1至8中任一项所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，还包括沉积在所述覆盖层(112；212；312)上之经镀覆之精加工层(114；214；314)。
11.如权利要求1至8中任一项所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)系网印至所述电极上。
12.如权利要求1至8中任一项所述的电子组件(100；200；300)，其特征在于，所述释气层(110；210；310)系藉由将所述端子浸泡在导电聚合物油墨中而配置。
13.一种用于将如权利要求1至12中任一项所述的电子组件(100；200；300)焊接到载体之方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供所述电子组件(100；200；300)；
提供具有至少一个连接垫(118)之载体；以及
将所述电子组件(100；200；300)之所述至少一个端子焊接到所述载体之所述至少一个连接垫(118)，其中，从所述至少一个端子之所述释气层(110；210；310)逸出之气体使所述覆盖层(112；212；312)膨胀，以在所述电极(104；304)和所述至少一个端子之所述覆盖层(112；212；312)之间形成经气体填充之体积。
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