CN112233903B - 电容器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容器组件，所述电容器组件包括：主体，包括介电层和内电极，所述内电极包括镍和合金元素；以及外电极，设置在所述主体上以连接到所述内电极。所述内电极包括合金区域和合金元素区域。

Description

电容器组件

本申请要求于2019年7月15日在韩国知识产权局提交的第10-2019-0085034号韩国专利申请的优先权的权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用被全部包含于此。

技术领域

本公开涉及一种电容器组件。

背景技术

多层陶瓷电容器(MLCC)(一种电容器组件)具有诸如紧凑、保证高电容和易于安装的优点。

近来，陶瓷电子组件(详细地，多层电容器)具有显著增大的电容。为了确保容量，层压的层的数量应增大。然而，为了增大层压的层的数量，介电层和内电极需要减薄。

由于内电极减薄，可能增加电极的断开从而导致容易遭受湿气渗透并且降低片强度。

发明内容

本公开的一方面在于提供一种具有改善的耐湿可靠性和增强的片强度的电容器组件。

根据本公开的一方面，一种电容器组件包括：主体，包括介电层和内电极，所述内电极包括镍和合金元素；以及外电极，设置在所述主体上以连接到所述内电极。所述内电极包括合金区域和合金元素区域。

附图说明

通过以下结合附图进行的详细描述，本公开的以上和其他方面、特征及优点将被更清楚地理解，在附图中：

图1是根据本公开中的实施例的电容器组件的示意性透视图；

图2是图1的电容器组件的主体的示意性透视图；

图3A和图3B是图2的A区域的放大图；

图4是沿图1的线I-I′截取的截面图；

图5至图7B是示出填充根据本公开中的实施例的内电极的短缺部分的工序的示意图；

图8是示出添加过量的合金元素的情况的示意图；以及

图9至图15是示出由透射电子显微镜(TEM)捕获的根据本公开中的实施例的电容器组件的截面的图像。

具体实施方式

在下文中，现将参照附图详细描述本公开中的示例实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应该解释为限于在此所阐述的具体实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将要把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，可夸大元件的形状和尺寸。此外，在附图中，在本发明构思的相同范围内具有相同功能的元件将由相同的附图标记表示。

在整个说明书中，当组件被称为“包括”时，除非另外特别说明，否则意味着该组件还可包括其他组件，而不是排除其他组件。

在附图中，Z方向被定义为第一方向、T方向或厚度方向，X方向可被定义为第二方向、L方向或长度方向，Y方向可被定义为第三方向、W方向或宽度方向。

在下文中，将参照图1至图4详细描述根据本公开中的示例实施例的电容器组件。

根据本公开的电容器组件100可包括：主体110，包括介电层111和内电极，内电极设置为具有相应的介电层111介于其间，内电极均包括镍和合金元素；以及外电极131和132，设置在主体110上以电连接到内电极。内电极可包括合金区域152和合金元素区域151。

图1是示出根据本公开的电容器组件的示意性透视图，图2是根据本公开的电容器组件的主体的示意性透视图，图3A和图3B是图2的A区域的放大图。

参照图3A和图3B，在实施例中，内电极可包括合金区域152和合金元素区域151。在本说明书中，术语“合金区域”可表示包括镍和合金元素的合金的区域，合金通过将与金属不同的至少一种元素添加到金属中而获得并具有金属性能。例如，合金区域可包括镍和合金元素，并且合金元素可表示镍的非均相元素(heterogeneous element)。金属(例如，镍)与合金的非均相元素的比不受限制，例如，合金区域可包括包含镍的合金，该合金包含1至99重量百分比(wt％)的镍。根据本公开的电容器组件可包括包含合金区域和合金元素区域的内电极，以补偿内电极的断开。

在实施例中，合金元素区域151可以是包括合金元素作为主要元素的区域。在本说明书中，术语“合金元素区域”可表示包括合金元素作为主要元素(即，主要组分)的区域，并且短语“包括合金元素作为主要元素”可表示包括相对于相应的合金元素区域的总重量的50wt％或更多的合金元素。如稍后所述，合金元素区域通过将内电极中包括的合金元素渗出来形成，并且可用于填充内电极的断开部。

在示例中，本公开的合金元素可以是元素周期表中的第3周期元素、第4周期元素、第11族至第14族的元素以及镝(Dy)元素中的一种或更多种。例如，合金元素可以是硅(Si)、铝(Al)、镁(Mg)、铁(Fe)、磷(P)、锡(Sn)、锌(Zn)、镝(Dy)、铜(Cu)和它们的合金中的至少一种，但不限于此。在烧结包括内电极的主体期间，合金元素可应用于内电极以渗出元素，而不形成合金。

在实施例中，合金元素区域相对于整个内电极可满足5％至60％的面积分数。内电极中包括的合金元素区域的面积分数可通过观察主体110在长度-厚度(X-Z)方向上的截面来测量。例如，在使用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)等捕获主体110在宽度(Y)方向的中央处在长度-厚度(X-Z)方向上的截面之后，面积分数可使用图像分析软件(美国国立卫生研究院(NIH)开源，“Image J”或MathWorks公司的“MATLAB”)等来分析。此外，化学成分和组分可通过对SEM和/或TEM应用能量色散光谱法(EDS)、电子能量损失光谱法(EELS)等来分析。在一个示例中，内电极中包括的合金元素区域的面积分数可以是一个内电极的全部合金元素区域的面积的和与一个内电极的整个面积的比。在另一示例中，内电极中包括的合金元素区域的面积分数可以是一个内电极的被分析区域的全部合金元素区域的面积的和与一个内电极的被分析的区域的整个面积的比。

如图3A、图3B、图7A和图7B中所示，在实施例中，合金元素区域151的面积相对于内电极的断开部153的面积的面积分数为5.0％或更大、5.5％或更大、6.0％或更大、6.5％或更大、7.0％或更大或者7.5％或更大，并且可以为70％或更小、69％或更小、68％或更小、67％或更小、66％或更小或者65％或更小，但不限于此。内电极的断开部153的面积和合金元素区域151的面积可在主体110的W-T截面和/或L-T截面中测量。内电极的断开部153的面积可表示当基于内电极与待测量的介电层之间的边界绘制趋势线(trend line)时的内电极的断开部的面积。此外，合金元素区域的面积可表示存在于内电极的断开部的面积中的合金元素区域的面积。如图3A和7A所示，内电极的一些断开部153可部分填充有合金元素区域，并且内电极的其他断开部153可完全填充有合金元素区域。在另一实施例中，如图3B和7B所示，内电极的全部断开部153可部分填充有合金元素区域。内电极的断开部的面积和合金元素区域的面积可使用上述图像分析软件等来计算。

当内电极中包括的合金元素区域的面积相对于内电极的断开部的面积小于5％时，片强度和耐湿可靠性会降低。当内电极中包括的合金元素区域的面积相对于内电极的断开部的面积大于70％时，片强度可提高，但由于合金元素运动到介电层与内电极之间的边界等，而不是运动到内电极的断开部，因此耐湿可靠性和电容器电容会降低。

在实施例中，主体110可包括介电层111和内电极。

主体110的具体形状不限于任意特定形状。然而，如示出的，主体110可具有六面体形状或与其相似的形状。由于主体110中包括的陶瓷粉末颗粒在烧结工艺期间的收缩，因此主体110可具有大体六面体形状，而不是具有完全直线的精确六面体。主体110可具有在厚度方向(Z方向)上彼此相对的第一表面S1和第二表面S2、连接到第一表面S1和第二表面S2并且在长度方向(X方向)上彼此相对的第三表面S3和第四表面S4、连接到第一表面S1和第二表面S2以及第三表面S3和第四表面S4并且在宽度方向(Y方向)上彼此相对的第五表面S5和第六表面S6。

主体110可通过在厚度方向(Z方向)上交替层压在介电层111上印刷有第一内电极121的陶瓷生片和在介电层111上印刷有第二内电极122的陶瓷生片形成。

在示例中，介电层111以及内电极121和122可在第一方向上交替层压(例如，图4中的B区域)。多个介电层111可处于烧结状态，并且相邻的介电层111可彼此一体化，使得在不使用扫描电子显微镜(SEM)的情况下，其间的边界不容易显现。

根据实施例，介电层111的材料不限于任意特定的材料，只要可从其中获得足够的电容即可。例如，介电层111的材料可以是钛酸钡基材料、铅复合钙钛矿基材料、钛酸锶基材料等。

此外，根据本公开的目的，各种陶瓷添加剂、有机溶剂、增塑剂、粘合剂、分散剂等可添加到诸如钛酸钡(BaTiO₃)等的粉末颗粒中。

例如，介电层111可通过将形成为包括诸如钛酸钡(BaTiO₃)的粉末颗粒的浆料在载体膜上涂覆并干燥来形成，以制备多个陶瓷片。陶瓷片可通过将陶瓷粉末颗粒、粘合剂和溶剂混合以制备浆料并且通过刮刀法将该浆料形成为具有几微米(μm)的厚度的片型来形成，但形成陶瓷片的方法不限于此。

在示例中，介电层111的平均厚度可以是0.4μm或更小。介电层111的平均厚度可以是在烧结的介电层111的五个不同点中测量的值的平均值。介电层111的平均厚度的下限不受限制，而是可以是例如0.01μm或更大。

在示例中，多个内电极121和122可设置为彼此相对，并且介电层111介于其间。内电极121和122可包括第一内电极121和第二内电极122，第一内电极121和第二内电极122交替设置以彼此相对，并且介电层111介于第一内电极121与第二内电极122之间。

第一内电极121可暴露于主体110的在第二方向(X方向)上的一个表面，并且暴露于主体110的在第二方向(X方向)上的一个表面的部分可连接到第一外电极131。第二内电极122可暴露于主体110的在第二方向(X方向)上的另一表面，并且暴露于主体110的在第二方向(X方向)上的另一表面的部分可连接到外电极132。第一内电极121和第二内电极122可通过设置在它们之间的介电层111彼此电分离。

第一内电极121和第二内电极122的材料不受限制，例如，第一内电极121和第二内电极122可使用包括银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、铜(Cu)、锡(Sn)、钨(W)、钛(Ti)和它们的合金中的至少一种的导电膏形成。导电膏的印刷方法可以是丝网印刷法、凹版印刷法等，但不限于此。

在示例中，形成内电极的导电膏可包括除了金属成分之外的上述合金元素。导电膏中包含的合金元素的重量相对于形成内电极的导电膏的总重量可具有0.01wt％至15wt％的范围。当导电膏中包括的合金元素的含量相对于内电极小于0.01wt％时，可能无法确保期望的耐湿可靠性。当合金元素的含量大于15wt％时，合金元素不仅可渗入内电极的断开部，还可渗入介电层，因此，会形成第二相而导致缺陷。

在实施例中，在上述导电膏可印刷在陶瓷生片上并且层压多个印刷的导电膏之后，烧结它们以形成内电极。导电膏中包含的镍和合金元素可以是合金元素涂覆在镍粉末颗粒的表面上的形式。当具有这种形式的包括镍和合金元素的导电膏被烧结以形成烧结电极时，可形成包括合金区域的内电极，并且合金元素在烧结工艺期间可从内电极的断开部渗出以形成合金元素区域。因此，可去除内电极的孔隙以提高片强度并有效防止外部湿气的渗透。

第一内电极121和第二内电极122的平均厚度可以是0.41μm或更小。内电极121和122的平均厚度可以是在烧结的内电极121和122的五个不同点处测量的值的平均值。第一内电极121和第二内电极122的平均厚度的下限可不受限制，而是可以是例如0.01μm或更大。

根据实施例，被定义为内电极的实际长度与内电极121和122中的相应一个的整个长度的比的内电极的连接性可以是70％或更大。内电极的整个长度还可包括断开部的部分的长度。根据实施例，内电极的连接性可被定义为其中形成有内电极的部分的实际长度与内电极的总长度的比(其中形成有内电极的部分的实际长度/内电极的总长度)。

在示例中，第一外电极131和第二外电极132可设置在主体110在第二方向上的两个表面上。第一外电极131可电连接到第一内电极121，第二外电极132可电连接到第二内电极122。

第一外电极131和第二外电极132可设置为延伸到主体110的在主体110的第一方向(Z方向)上的两个表面和第三方向(Y方向)上的两个表面。在这种情况下，第一外电极131和第二外电极132可延伸到主体110的第一表面S1的一部分和第二表面S2的一部分。此外，第一外电极131和第二外电极132可延伸到主体110的第五表面S5的一部分和第六表面S6的一部分。

例如，第一外电极131和第二外电极132可使用包括银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、锡(Sn)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)和它们的合金中的至少一种和玻璃的导电膏形成。导电膏的印刷方法可以是丝网印刷法、凹版印刷法等，但不限于此。

图5至图7B是示出填充根据本公开中的实施例的内电极的短缺部分的工序的示意图。参照图5，在烧结开始之后，镍和合金元素在内电极121和122中立即合金化，并且没有附加成分向外渗出。

如图6中所示，在已经经过特定的时间段之后，在镍和合金元素合金化之后剩余的过量合金元素开始渗出到内电极的外部。渗出的合金元素填充内电极的断开部(参见图7A和图7B)。

图8是示出添加过量的合金元素的情况的示意图。参照图8，当渗出的合金元素的量太大时，可在内电极的断开部中形成合金元素区域151，但过量渗出的合金元素会渗入到介电层中以形成第二相161。由于这种第二相，可出现组件失效。第二相可导致介电层与内电极之间的界面劣化，或者可降低电容。

表1是根据填充的合金元素与内电极的断开部的面积的比的针对片强度、可靠性和容量评估的实验结果。在表1中，全部内电极形成在使用在镍(Ni)的表面上涂覆有硅(Si)作为合金元素的材料上，电容器组件都在除了合金元素的含量彼此不同之外的相同条件下制造。

在表1中，在通过透射电子显微镜(TEM)在40K放大率下捕获制造的电容器组件的在60μm×40μm的范围内的W-T截面之后，使用图像分析软件(美国国立卫生研究院(NIH)开源，“Image J”)来分析填充的合金元素与内电极的断开部的面积的比。此外，内电极和合金元素的化学成分和组分通过应用能量色散光谱法(EDS)、电子能量损失光谱法(EELS)等来分析。

在表1中，当电容相对于参考电容的上限和下限偏离±30％时，其被评估为X。当电容相对于参考电容的上限和下限未偏离±30％时，其被评估为○。当电容相对于参考电容的上限和下限未偏离±10％时，其被评估为◎。耐湿可靠性测试研究了当在85摄氏度的温度下和85％RH的相对湿度下施加参考电压12小时时，40个样品中与初始值相比劣化大于1.0E+1的失效的电容器组件的数量。

为了测量片强度，在将多层陶瓷电容器(MLCC)片在W-T方向或L-T方向(垂直于内电极的方向)上对齐之后，使用诸如TIRA、通用拉伸机(Universal tensile machine，UTM)等的常用的拉伸压缩测量设备来测量压缩断裂强度。能够理解的是，随着填充的合金元素与内电极的断开部的面积的比的增大，片强度逐渐增大，并且由于随着合金元素在数量上的增加使得内电极之间断开的孔隙减小，因此片强度逐渐增大。

表1

从表1能够看出，当填充的合金元素与内电极的断开部的面积的比为5％或更小时，片强度和耐湿可靠性降低，并且当该比为60％或更大时，耐湿性降低，并且不能充分确保电容器的电容。

图9至图15是通过捕获根据本公开的电容器组件的内电极获得的图像。参照图9至图15，电容器组件的详细的成分的分布(其中Si应用于包含Ni的内电极作为合金元素)可在TEM中使用能量色散光谱法(EDS)或电子能量损失光谱法(EELS)来检查。

图9是制造的MLCC的L-T表面的TEM高角度环形暗场(TEM-HAADF)图像，图10至图12是分别示出对应于钡(Ba)、钛(Ti)和镍(Ni)的成分的图像。参照图12，可检查包含Ni的内电极的断开部。断开部也可通过图10和图11来检查。如能从图10和图11中看出的，构成介电层的Ba和Ti成分设置在图12的内电极的断开部中。

如能从图13中看出的，硅(Si)(一种合金元素)均匀地分布在内电极的内部，并且Si在内电极的断开部中渗出。这意味着包含在用于内电极的导电膏中的Ni和Si形成合金以形成内电极，并且意味着过量的Si(一种合金元素)比形成内电极所需要的量大，会渗出以填充内电极的断开部。

图14和图15是通过将图13与图12结合形成的图像。如能从图12、图14和图15中看出的，Si(一种合金元素)渗出以填充图12的内电极的断开部。图15的X区域表示其中Si渗出的部分，并且渗出的合金元素可填充内电极的断开部(与X区域相似)，以改善内电极的连接性并改善片强度和耐湿可靠性。

如上所述，根据实施例，为了改善电容器组件的耐湿可靠性，可补偿内电极的断开部。

根据另一实施例，可去除孔隙部以防止湿气渗透到电容器组件中。

根据另一实施例，可增大内电极与外电极的结合面积以提高片强度。

尽管以上已经示出并描述了示例实施例，但对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的由所附权利要求限定的范围的情况下，可做出修改和变化。

Claims (12)

1.一种电容器组件，包括：

主体，包括介电层和内电极，所述内电极包括镍和合金元素；以及

外电极，设置在所述主体上以连接到所述内电极，

其中，所述内电极包括合金区域和合金元素区域，所述合金元素区域设置在所述合金区域之间，所述合金区域包括镍和所述合金元素的合金，所述合金元素区域是其中所述合金元素用作主要组分的区域。

2.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述合金区域包括镍和硅的合金，所述合金元素区域包括硅作为主要组分。

3.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述内电极包括沿厚度方向交替堆叠的第一内电极和第二内电极，所述第一内电极和所述第二内电极分别从所述主体的在长度方向上彼此相对的两个表面暴露，在所述第一内电极和所述第二内电极的暴露部分中，沿着所述主体的宽度方向所述合金元素区域设置在所述合金区域之间，并且在所述主体的沿所述长度方向和所述厚度方向的截面中，沿着所述主体的所述长度方向所述合金元素区域设置在所述合金区域之间。

4.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述合金元素是元素周期表中的第3周期元素、第4周期元素、第11族元素至第14族元素以及镝元素中的一种或更多种。

5.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述合金元素包括硅、铝、镁、铁、磷、锡、锌、镝、铜和它们的合金中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述合金元素包括硅、铝、镁、铁、磷、锡、锌、镝、铜和它们的合金中的两种或更多种。

7.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述合金元素区域相对于整个所述内电极满足5％至60％的面积分数。

8.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述内电极使用所述合金元素的重量相对于导电膏的总重量在0.01wt％至15wt％的范围内的导电膏形成。

9.根据权利要求8所述的电容器组件，其中，所述导电膏中包含有在表面上涂覆有所述合金元素的镍粉末颗粒。

10.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，所述内电极具有0.41μm或更小的平均厚度。

11.根据权利要求1或10所述的电容器组件，其中，所述介电层具有0.4μm或更小的平均厚度。

12.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，被定义为所述内电极的实际长度与所述内电极的整个长度的比的内电极的连接性为70％或更大。