CN111863459A - 一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于滤波电容、微纳制造技术与电子电路的交叉技术领域，公开了一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用，采用图形化的3D硅基框架(100)，进行集流体(101)和活性材料(102)的包覆，制得电容器的电极，将其固定于封装外壳下部(103a)，涂覆电解质(104)；最后封装外壳上部(103b)并预留导电连接点，将导电引脚(105)内嵌入壳中，实现电容器的贴片设计导电引脚。本发明对贴片式微型滤波电容器整体流程工艺进行设计，通过半导体工艺实现其贴片电极的定制化制作；采用了简易的封装结构，便于密封；制作尺寸可调的内嵌式导电引脚对电路板进行点焊式电连接，保证了连接可靠性和微缩化集成。最终，将其实际应用于贴片的电路板，实现了滤波功能。

Description

一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用

技术领域

本发明属于滤波电容、微纳制造技术与电子电路的交叉技术领域，更具体地，涉及一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用，是一种凭借微纳加工技术定制化制造贴片式微型滤波电容器的方法。

背景技术

滤波器是用来减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，由电容、电感和电阻组成滤波电路。利用它的选频功能，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。对于电容器来说，其应用领域非常广泛，在电子线路中起着滤波、储能、旁路、耦合、计时等重要作用。在这些应用中，滤波应用是电容器最为常见的应用。通过滤波能减少脉动的直流电压中的交流成分，保留直流成分，使输出电压的纹波降低，让波形更平滑。从而达到消除干扰杂讯、降低损耗的目的。用于滤波的电容器通常为电解电容器，是一种储能器件，安装在直流稳压电路中。滤波电容器在设计、制造后具有特定的参数，包括电容、电阻、额定电压、额定电流等，决定了电容器的应用场景。将其与电路中的电感、电阻元件进行匹配，形成滤波器，具备特定的中心频率、截止频率、纹波等，以适用于特定的电路中。

目前，商业的电解电容器应用成熟且广泛，但仅能购买固定的型号类别，且电容值相较于超级电容器来说较低。若提升电容值，则需牺牲电容器体积，不利于电路的微型集成化。随着超级电容器的发展，电容器的电容密度特性有了极大的提升，超级电容器在常见的电子电路的滤波电路中应用起来。且随着器件逐渐微型化的发展，超级电容器在微电子领域上的应用日益凸显，使得片上微型电容器成为了一种新趋势，如PCB电路板等紧密集成的贴片电路设计中。传统的三明治结构的超级电容器由于隔膜的存在，易造成微短路、离子转移效率较低，且上下电极不便于引线与电路板贴合导电。目前，大多数滤波电容器通过两根或多根插针与电路板固定与连接，所占电路板面积较大，不适用于空间微缩的电路板，且插针易弯折，固定连接的方式不够可靠稳定，不适用于冲击或振动力度较大的应用场景。面对目前贴片型电极的要求，需要找到适用于贴片技术的电极制造工艺，以及一套匹配的封装、组装技术，实现电极到器件、器件到电路板的贴片式制造与应用，以充分利用日益微缩化的微器件空间。所以，急需要一种适用于贴片应用的微型滤波电容器的制造方法，弥补目前市场的空缺。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用，其中通过对贴片式微型滤波电容器整体流程工艺进行设计，通过半导体工艺实现其贴片电极的定制化制作；采用了简易的封装结构，便于密封；制作尺寸可调的内嵌式导电引脚对电路板进行点焊式电连接，保证了连接可靠性和微缩化集成。最终，将其实际应用于贴片的电路板，实现了滤波功能。此外，基于本发明，通过改变电极尺寸和形貌、材料载入种类、质量和电解质种类、串并联方式可调控滤波电容器的电容、额定工作电压、额定工作电流参数。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种贴片式微型滤波电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按预先设计的光刻图形，利用半导体工艺对硅片进行半导体图形化加工，形成梳齿状的交叉结构，从而制备得到图形化的3D硅基框架；

S2：在所述步骤S1得到的所述3D硅基框架表面形成导电材料，所述导电材料为碳材料、金属、金属氧化物或金属氮化物的其中一种，使所述导电材料完全覆盖所述3D硅基框架的表面，从而制备得到能够导电的集流体；

S3：在所述步骤S2得到的所述3D硅基框架表面继续制备活性材料，用于参与超级电容器在电场下的电荷排布或电化学反应；

S4：将所述步骤S3得到的依次形成有活性材料、导电材料的3D硅基框架固定在预先加工成型的封装外壳下部上，并用于作为梳齿状对电极；该对电极中同时包括用于作为正极的电极和用于作为负极的电极，且两者相互绝缘；

S5：在所述步骤S4得到的所述对电极上填充电解质，用于提供电荷排布的媒介或电化学反应的离子；

S6：利用封装外壳上部与所述封装外壳下部的配合，同时利用密封胶，对所述对电极和所述电解质一同进行封装，使所述对电极和所述电解质受到保护，同时保留导电连接点用于从外部连接所述对电极；最后，在所述导电连接点上制作用于贴片连接的导电引脚，使导电引脚嵌入封装外壳上部的凹孔中，即可得到贴片式微型滤波电容器。

作为本发明的进一步优选，所述方法还包括步骤：

S7：将所述步骤S6得到的所述贴片式微型滤波电容器连接到滤波电路板上，使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚与所述滤波电路板的导电引脚相连，从而形成滤波电容器功能器件。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S7中，所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚与所述滤波电路板的导电引脚相连具体是采用导电涂层或焊接相连。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S1中，所述梳齿状的交叉结构中，任意一个梳齿的长度为100微米至10厘米，高度为10微米至10毫米，宽度为10微米至10毫米。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S2中，所述导电材料的形成具体是通过原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S3中，所述活性材料的形成具体是采用原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S4中，所述梳齿状对电极具体是通过图形化制作串联关系的梳齿状对电极、或并联关系的梳齿状对电极，并通过组装成型的器件，制作串联或并联的滤波电容器；

优选的，所述梳齿状对电极还经过芯片切割仪器分离处理；更优选的，所述芯片切割仪器对应激光切割、离子束切割或刀片切割。

作为本发明的进一步优选，所述封装外壳上部与所述封装外壳下部均采用绝缘材料，优选是采用玻璃、陶瓷、聚合物或塑料。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S2中，所述碳基材料为碳纳米管、石墨烯、碳膜、多孔碳；

所述步骤S3中，所述活性材料为氧化物、硫化物或MXenes系材料；优选的，所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化锰、氧化镍、氧化钴，所述硫化物为二硫化钒、二硫化钼，所述MXenes系材料为碳化钛、氮化钛。

按照本发明的另一方面，提供了利用上述制备方法制备得到的贴片式微型滤波电容器在滤波电容器功能器件中应用，其特征在于，该应用是将所述贴片式微型滤波电容器连接于滤波电路板上，使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚与所述滤波电路板的导电引脚相连。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够主要采用微纳制造技术进行贴片式的微型滤波电容器的制作，电容量较大，降低输出信号纹波。对滤波电容器的电极进行贴片式的封装，适用于微缩化的微组件中，贴片连接可大大缩减集成空间。预留的贴片电极引脚可根据其与外接电路的连接强度来改变尺寸，可应用于强冲击振动的场景中。首先对衬底进行图形化，塑造出电极框架，再在框架的基础上进行集流体的制作，形成对框架包覆的电极，使电容器具备优异的导电能力。其次，在集流体表面沉积活性材料，用于参与超级电容器在电场下的电荷排布或电化学反应。最后，填充电解质并封装电极。电解质能提供电荷排布的媒介或电化学反应的离子，封装后使对电极材料和电解质受到保护，并预留导电引脚(导电引脚内嵌入封装外壳中)，形成独立元件，以便进行集成。

具体说来，本发明能够取得以下有益效果：

1、面对滤波电容器的贴片应用，本发明通过半导体工艺，将新型滤波电容器的对电极固定于衬底，便于在同一面引线，适合贴片封装，且超级电容器的电容量高于商业电解电容器，能满足电压输出时纹波小的需求，提高电源运行的效率和利用率，降低谐波、噪音、纹波对器件的干扰甚至损坏；

2、此外，利用半导体的图形化工艺的独特优势，串联型、并联型的电极也可实现贴片化制作，这种水平阵列化的排布方式极好的适用于电路板的贴片应用，并能实现电容值、额定工作电压或额定工作电流的定制化设计。最终，调控输出电压的纹波，拓宽滤波电容器的特性参数和应用范围。

3、本发明构建了完整的封装办法，导电引脚不仅用于滤波电容与电路板的电气连接，更能将滤波电容器紧贴固定于电路板上。将电极引脚从传统的插针式改进为在框架边缘设计内嵌式的导电引脚，并可采用点焊式实现贴片器件的电气连接。贴片加点焊式的连接方式使滤波电容器与电路板紧密集成，极大的提升微器件的空间利用率。并且，紧密贴片的方式能提供更稳定可靠的集成效果，可根据所需粘附强度将背部的导电引脚面积增大，在不额外牺牲集成空间的情况下，便能增大滤波电容器与电路板的连接力度，可应用于强冲击振动的场景；

4、本发明的滤波电容器结构简易，仅由电极和上下外壳以三明治结构堆叠而成，使封装过程便于密封处理，可以保证电解质不泄露，电解质不产生变质，大大提高电容器的制作效率和使用寿命。

本发明实际应用于设计的整流滤波电路中，实验结果证明了该电容器能有效实现滤波功能。此外，通过自主设计微型电容器的并联结构，调控了电容量，使滤波效果显著增强。

面对贴片式的微型滤波电容器的需求，急需要一套针对贴片式和微型化兼容的电极制作、封装、集成的方法。目前主流的电解电容型的滤波电容器以插针式的电连接为主。随着半导体芯片中电容器电极制作的发展，所制作的超级电容器容量显著，贴片型超级电容器的电连接通过在导电Pad点上打线的方式连接。然而这两种方法的空间利用率和稳定性均存在不足，面对日益紧缩的微单元空间，本发明将与外电路连接的导电引脚内嵌入封装外壳，通过点焊的方式，与电路板紧密集成，并能灵活调控电极的面积，以增大焊接强度，提高接触的稳定度。通过半导体图形化工艺制作电极，实现了贴片式的要求。两片式的封装外壳使之结构简单，密封简易。

本发明可按预先设定的尺寸保留导电连接点，也就是说，保留出的导电连接点可灵活改变尺寸。同样，制作封装外壳上部时预留的导电空间和内嵌式的导电引脚均可改变尺寸。尺寸的改变可根据所要求的连接强度和稳定性来调整。梳齿状对电极可通过图形化制作串联关系的梳齿状对电极、或并联关系的梳齿状对电极，并可通过组装成型的器件，制作串联或并联的滤波电容器。通过图形预设计或成型器件的组装形成的串并联均可调整滤波电容器的电容量，额定工作电压和额定工作电流，以应用在不同的纹波输出要求和输入信号窗口中。

本发明通过材料的载入控制电容器的电阻(载入的材料包括导电材料和活性材料)，使内阻处于较低的水平，减少自身的电压降。选择集流体和活性材料时，可优选使用碳材料(如碳纳米管、石墨烯、碳膜、多孔碳)、金属、金属氧化物或金属氮化物构建集流体，优选使用氧化物(如氧化锌、氧化钛、氧化锰、氧化镍、氧化钴)、硫化物(如二硫化钒、二硫化钼)或MXenes系材料(如碳化钛、氮化钛)作为活性材料，使最终组分的表面积、导电性、电化学性能优异。电极上预留出导电连接点可以通过预先设计和切割来制作。封装外壳可根据电极大小进行设计和成型，整流用的电路板通过二极管和电阻进行连接和参数搭配，实现整流的功能。

附图说明

图1为通过半导体工艺制作出梳齿状的3D硅基框架、制作集流体和活性材料的流程示意图。

图2为将电极固定于封装外壳(下)后进行切割，分离得到一对电极的示意图。

图3为在电极表面涂覆电解质后的示意图。

图4为在电极、电解质上对准贴合封装外壳(上)后的示意图。

图5为在电极连接点处涂覆或沉积导电引脚的示意图。

图6为电容器的截面示意图。

图7为根据需求实现定制化的多对电极的简略示意图。

图8为通过固定电极于封装外壳，切割后实现N对电极串联的示意图。

图9为通过固定电极于封装外壳，切割后实现N对电极并联的示意图。

图10为将电容器贴片于电路板前后的示意图，其中，图10中的a对应电路板的串/并联线路，图10中的b对应电容器上/下两面，图10中的c对应电容器贴片于电路板上。

图11中a与b分别为整流滤波电路的实物图和电路示意图。

图12中的a为不同电极材料的电容器在整流滤波应用时的效果对比图，图12中的b为单个滤波电容，两个滤波电容并联和四个滤波电容并联分别实现整流滤波应用的效果对比图。

图中各附图标记的含义如下：100为3D硅基框架，101为集流体，102为活性材料，103a为封装外壳下部，103b为封装外壳上部，104为电解质，105为导电引脚引脚，106为电路板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用半导体工艺中的微纳制造技术制作超级电容器。总体来说，贴片式微型滤波电容器包括电容器的电极框架，集流体，活性材料，电解质，封装外壳、导电引脚，并可以进一步配合外部的电路板及其线路进行应用。

目前，基于MEMS技术与纳米材料制备技术的3D硅基电容器受到广泛关注，下面根据其制造工艺进行实例说明：

实施例1

3D硅基电容器包括3D硅基框架100、集流体101、活性材料102、封装外壳(包括配套使用的封装外壳下部103a和封装外壳上部103b)，电解质104、导电引脚105和电路板106。其制作方法可包括以下步骤：

一、3D硅基框架100的制作。采用硅片进行半导体图形化加工，形成梳齿状的一对电极，作为电容器整体的3D框架，如图1所示，其中，梳齿的长宽高可灵活设计，按需选择性设计，本发明旨在设计微型化的电容器，梳齿长和高均为百微米级，宽为几至几十毫米均可；

二、导电的碳材料作为集流体101的制作，如图1所示。针对这一高深宽比的3D框架，进行集流体101的制作，将碳材料通过原子层沉积，也可再配合水热和(或)退火的方式，使其均匀包覆3D硅基框架101的表面，实现整体导电，使电容器电阻处于较低的水平，碳材料的厚度可以为十纳米至几十微米；

三、纳米材料作为活性材料102的制作，如图1所示。采用氧化锰纳米材料，可通过常用的薄膜沉积工艺水热法、或电镀法等，根据需求沉积十纳米至几十微米的厚度，能够增加电极比表面积和电化学活性，从而增加电容器的电容性质，使电容器能在稳定的电压窗口/电流范围下进行工作；

四、固定对电极，如图2所示。封装外壳由绝缘材料制作，如玻璃、陶瓷、塑料，将电极固定于封装外壳下部103a，并将电极的连接处切割分离(切割可以采用激光切割、离子束切割、刀片切割等)，使对电极相互绝缘(当然，在步骤一时也可以通过图形化得到期望分离状态的3D硅基框架100，在步骤四时则无需使用切割处理)。

五、电解质104填充。如图3所示，可采用PVA与LiCl混合的胶装电解质，通过涂覆的方式实现电解质104与电极表面的良好浸润，以提供电荷/离子转移路径；

六、封装并组装。如图4所示，采用封装外壳上部103b对电解质与对电极进行封装，在缝隙处涂覆密封胶，起到隔绝保护作用，同时，保留导电连接点。最终，在导电连接点处涂覆或沉积导电引脚105。此时，完整的滤波电容器制作完成，如图5所示。采用导线或导电涂层连接滤波电路板的导电引脚与电容器的导电引脚105，实现电容器在滤波电路板上的贴片使用。其中，图6为滤波电容器的截面图，能清晰反映电容器内部的多层结构。

优选的，可将多个电容器并联或串联，可预先设计光刻时的电极图形，通过半导体工艺实现多对电极的阵列结构，如图7所示。在电路板上固定阵列结构的电容器，通过不同的分离电极方式，实现串/并联的连接方式，N个电容器串联与并联方式的结构分别如图8和图9所示。除此以外，也可将封装完成的滤波电容器在电路板上进行串并联，如图10所示，其中，图10中的a为设计好线路图的电路板106，包括上部的串联线路，下部的并联线路；图10中的b为电容器的上下两面，一面可见导电引脚，一面不可见导电引脚，其中导电引脚与电路板的导电引脚图形一一对应，可贴片连接；图10中的c为电容器在电路板上实现贴片后的示意图。

为了充分说明超级电容器在滤波领域的应用，本发明将其应用于整流电路中来实现AC-DC转换，结果证实了其低通滤波性质。此外，还通过并联方式增加电容值，从而降低纹波，表明了这一发明的实际应用可能与价值。实现过程具体为：电路由全波整流桥、负载电阻与本发明中的电容器组成。电路的实物图与示意图如下图11中的a和图11中的b所示，微型滤波电容器为2*2cm²，电极框架为2.2cm长，0.9cm宽。通过信号发生器输入工频60Hz、振幅2V的交流电压，采用示波器观察并采集输出数据。本发明采用Si材料的电极，Si/C材料的电极以及Si/C/MnO₂材料的电极制作的滤波电容器进行整流滤波，其效果如图12中的a所示，通过实验的结果证实了本发明的超级电容器的滤波能力，随着电极材料的改变，滤波效果显著改变。且通过两个、四个电容器的并联，增加了电容值，从而进一步降低纹波电压，证实了增强超级电容器的电容特性能够增强滤波效果。具体的，纹波系数从单个的电容器实现的19.0％降低至两个并联电容器实现的14.1％，再降至四个并联电容器实现的8.5％，最终使输出电压更平滑。

本发明所采用的半导体工艺，包括匀胶、光刻、深刻蚀、原子层沉积、物理/化学气相沉积、水热法、退火、芯片切割等工艺，均可直接参考相关现有技术。上述实施例中所采用的导电材料、活性材料的具体材料种类均为示例，也可以采用其他材料，例如可以参照现有技术中已知的用于构建超级电容器的材料进行调整。滤波电容器的电容性质可以根据所述梳齿电极的尺寸和形貌、材料载入的种类和质量、采用电解质的种类进行调控。电极可以由多组阵列串联和并联。其中，梳齿电极的尺寸和形貌可以在半导体工艺中通过预设计图形来进行调整。电解质可以为固态的水系电解质、有机电解质、离子电解质，其浓度可根据实际需求来调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种贴片式微型滤波电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按预先设计的光刻图形，利用半导体工艺对硅片进行半导体图形化加工，形成梳齿状的交叉结构，从而制备得到图形化的3D硅基框架(100)；

S2：在所述步骤S1得到的所述3D硅基框架(100)表面形成导电材料，所述导电材料为碳材料、金属、金属氧化物或金属氮化物的其中一种，使所述导电材料完全覆盖所述3D硅基框架(100)的表面，从而制备得到能够导电的集流体(101)；

S3：在所述步骤S2得到的所述3D硅基框架(100)表面继续制备活性材料(102)，用于参与超级电容器在电场下的电荷排布或电化学反应；

S4：将所述步骤S3得到的依次形成有活性材料(102)、导电材料的3D硅基框架(100)固定在预先加工成型的封装外壳下部(103a)上，并用于作为梳齿状对电极；该对电极中同时包括用于作为正极的电极和用于作为负极的电极，且两者相互绝缘；

S5：在所述步骤S4得到的所述对电极上填充电解质(104)，用于提供电荷排布的媒介或电化学反应的离子；

S6：利用封装外壳上部(103b)与所述封装外壳下部(103a)的配合，同时利用密封胶，对所述对电极和所述电解质(104)一同进行封装，使所述对电极和所述电解质(104)受到保护，同时保留导电连接点用于从外部连接所述对电极；最后，在所述导电连接点上制作用于贴片连接的导电引脚(105)，使导电引脚(105)嵌入封装外壳上部(103b)的凹孔中，即可得到贴片式微型滤波电容器。

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

S7：将所述步骤S6得到的所述贴片式微型滤波电容器连接到滤波电路板上，使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚(105)与所述滤波电路板的导电引脚相连，从而形成滤波电容器功能器件。

3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚(105)与所述滤波电路板的导电引脚相连具体是采用导电涂层或焊接相连。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述梳齿状的交叉结构中，任意一个梳齿的长度为100微米至10厘米，高度为10微米至10毫米，宽度为10微米至10毫米。

5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述导电材料的形成具体是通过原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。

6.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述活性材料的形成具体是采用原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。

7.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述梳齿状对电极具体是通过图形化制作串联关系的梳齿状对电极、或并联关系的梳齿状对电极，并通过组装成型的器件，制作串联或并联的滤波电容器；

优选的，所述梳齿状对电极还经过芯片切割仪器分离处理；更优选的，所述芯片切割仪器对应激光切割、离子束切割或刀片切割。

8.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述封装外壳上部(103b)与所述封装外壳下部(103a)均采用绝缘材料，优选是采用玻璃、陶瓷、聚合物或塑料。

9.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述碳基材料为碳纳米管、石墨烯、碳膜、多孔碳；

所述步骤S3中，所述活性材料(102)为氧化物、硫化物或MXenes系材料；优选的，所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化锰、氧化镍、氧化钴，所述硫化物为二硫化钒、二硫化钼，所述MXenes系材料为碳化钛、氮化钛。

10.利用如权利要求1所述制备方法制备得到的贴片式微型滤波电容器在滤波电容器功能器件中应用，其特征在于，该应用是将所述贴片式微型滤波电容器连接于滤波电路板上，使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚(105)与所述滤波电路板的导电引脚相连。

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