CN113764193A - 一种固态电容器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固态电容器及其制造方法，属于电容器技术领域。本发明的电容器包括从上到下的的顶电极层、固态电解质层、阳极化氧化铝层和多孔铝电极层，多孔铝电极层为金属铝电极形成的单表面具有孔洞的电极结构，阳极化氧化铝层覆盖在孔洞内壁表面及所述多孔铝电极层的非光滑面，固态电解质层填充在所述孔洞内并向上延伸生长，本发明的电容具有容值大、性能稳定的特点，可适用于高性能集成电路设计制造以及各种电气自动化设备的应用制造。

Description

一种固态电容器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种固态电容器，属于电容器技术领域。
背景技术
电容在电子电路设计制造中具有重要的作用，是不可或缺的基础元器件。随着电路设计水平的不断提高以及信息时代对于电路性能的不断提高。对于电容大容值、高可靠性、低成本等特性的需求不断提高。传统的氧化铝介质电容多采用平面结构，电容值较低，此外氧化铝加工方法复杂，成本也较高。传统的电解质电容选用液态电解质，液态电解质不易封装，可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电容器存在的上述缺陷，提供了一种容值大、性能稳定固态电容器。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
一种固态电容器，包括从上到下的的顶电极层、固态电解质、阳极化氧化铝层和多孔铝电极层，多孔铝电极层为金属铝电极形成的单表面具有孔洞的电极结构，阳极化氧化铝层覆盖在孔洞内壁表面及所述多孔铝电极层的非光滑面，固态电解质填充在所述孔洞内并向上延伸生长。
进一步地，孔洞为规则排列或非规则排列的非贯穿孔，多孔铝电极层的另一面保持光滑平整。
进一步地，孔洞的形状为长方形、圆形、椭圆形或不规则形状。
进一步地，孔洞的大小为50nm-500um，深度为10nm-100um。
进一步地，孔洞的孔隙率为5%-90%。
进一步地，阳极化氧化铝层的厚度为5 nm-100nm。
进一步地，固态电解质向上延伸生长50 nm-500nm。
进一步地，顶电极层的厚度为50 nm-15 um。
还提供了一种制作固态电容器的方法，包括以下步骤
（1）通过刻蚀或压制的方法形成单表面具有孔洞的多孔铝电极层；
（2）将所述多孔铝电极层的光滑面连接电源正极，电源负极连接碳棒进行阳极氧化得到阳极化氧化铝层；
（3）对固态电解质进行沉积，使得所述孔洞填满并向上延伸生长；
（4）对生长沉积的固态电解质做平坦化处理；
（5）通过物理增材制造方法在所述固态电解质上进行顶电极层的制备。
本发明的有益效果是：
本发明提出的电容器采用多孔的铝电极能够极大的增强电容的容值；通过阳极化氧化生成氧化铝介质，能够将铝电极孔洞的内壁全部覆盖，能够防止漏电的发生；固态电解质的选用相对于液态电解质而言，能够减小封装的难度，增强器件的可靠性且制造方法也更为简捷。本发明结构的电容具有容值大、性能稳定的特点，可适用于高性能集成电路设计制造以及各种电气自动化设备的应用制造。
附图说明
图1为本发明的电容器的横截面示意图。
附图标记说明：
1为多孔铝电极层，2为阳极化氧化铝层，3为固态电解质层，4为顶电极层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例展示了一个固态电容器，如图1所示，包括从上到下的的顶电极层4、固态电解质层3、阳极化氧化铝层2和多孔铝电极层1，多孔铝电极层1为金属铝电极形成的单表面具有孔洞的电极结构，洞为规则排列或非规则排列的非贯穿孔，多孔铝电极层1的另一面保持光滑平整。孔洞的形状为长方形、圆形、椭圆形或不规则形状，孔洞的大小为50nm-500um，深度为10nm-100um，孔洞的孔隙率为5%-90%，孔隙率为孔洞上表面面积占平整的铝电极上表面面积的百分数。
阳极化氧化铝层2覆盖在孔洞内壁表面及多孔铝电极层1除光滑面的全部表面，氧化铝层的厚度为5nm-100nm。阳极化氧化铝层2通过阳极化工艺进行制备。
固态电解质层3位于阳极化氧化铝的表面。对于附有阳极化氧化铝的孔洞，固态电解质层3将孔洞全部填充完整。在空洞填满的基础上，固态电解质层3向上延伸生长50nm-500nm。并对固态电解质层3层的上表面进行抛光，平整度为5nm-200nm。固态电解质层3一面和阳极化氧化铝层2接触另外一界面和顶电极层4相接触。固体电解质包括但不限于阴离子传导、阳离子传导或者混合离子传导的由离子迁移而导电的固态物质。固态电解质层3的制造方法包括但不限于蒸镀、磁控溅射、PECVD、分子束外延等物理和化学反应生长方法。
顶电极层4位于固态电解质层3之上。制造方式包括但不限于蒸镀、磁控溅射、印刷等物理增材制造方法。电极材料包括但不限于铜、银、金、导电胶等具有良好导电性能的金属材料以及非金属材料。顶电极层4的厚度为50 nm-15 um。
电容可配合封装进行电极的引出，封装方式包括但不限于金丝绑定、焊球、印刷电极等封装方式。电容连接导体引线进行电极引出时，多孔铝电极层1没有孔洞的一面以及顶电极层4未与固态电解质层3接触的一面连接导体引线。
实施例2
本实施提供了一种制造固态电容器的方法，主要方法步骤包括多孔铝电极层1制备，阳极化氧化铝层2制备，固态电解质沉积，固态电解质平坦化处理，顶电极层4的制备。
1）多孔铝电极层1的制造。通过刻蚀、压制等方法形成的具有单表面具有孔洞的孔洞电极结构。
2）阳极氧化多孔铝电极层1制造氧化铝介质层。多孔铝电极层1光滑面连接电源正极，电源负极连接碳棒。启动电源，将铝电极孔洞的一端和碳棒浸泡在柠檬酸/柠檬酸钠电解质溶液中，PH为6.8-7.2，阳极氧化分两部分，（1）保持电流密度为1.5-2 mA/cm2，电压增加至5-50 V，（2）电压保持不变，调整电流使其指数下降至最高值的5%-10%结束。
3）固态电解质沉积。利用蒸镀、磁控溅射、PECVD、分子束外延等物理和化学反应生长方法对固态电解质进行沉积，使得孔洞填满。在空洞填满的基础上，固态电解质向上延伸生长50 nm-100 um。
4）对生长沉积的固态电解质做平坦化处理。优选的，进行抛光处理，使得平整度5nm-200 nm。
5）生长顶电极层4。通过蒸镀、磁控溅射、印刷等物理增材制造方法进行顶电极的制备。电极材料包括但不限于铜、银、金、导电胶等具有良好导电性能的金属材料以及非金属材料。
实施例3
本实施例公开了电容值为600 nF/cm3的固态电容器及其制造方法。其中，电容器包含多孔铝电极层1、阳极化氧化铝层2、固态电解质和顶电极层4。方法步骤包括多孔铝电极层1制备，阳极氧化铝制备，固态电解质沉积，固态电解质平坦化处理，顶电极层4的制备。
选用100 um厚度，1 mm*1 mm的铝薄片作为铝电极，在铝电极上选图光刻胶，利用掩膜板进行光刻显影确定孔洞的大小为100 um。利用金属刻蚀机对铝电极进行刻蚀，刻蚀气体为Cl2，BCl3，气体比例1：2，反应腔体的压强控制在10 mtorr左右。刻蚀的孔洞的大小为100 um，深度为20 um，孔隙率为60%。多孔电极的孔洞集中在铝电极的一面形成，另一面保持光滑平整，且孔洞不将铝电极贯穿。
多孔铝电极层1和顶电极层4分别位于电容器的两端，中间夹有阳极化氧化铝与固体电解质。其中，阳极化氧化铝层2的厚度为50 nm。多孔铝电极层1光滑面连接电源正极，电源负极连接碳棒。启动电源，将铝电极孔洞的一端和碳棒浸泡在柠檬酸/柠檬酸钠电解质溶液中，PH为6.8，首先，保持电流密度为1.5 mA/cm2，电压增加至30 V。然后，电压保持不变，调整电流使其指数下降至最高值的5%结束。得到阳极化的氧化铝层。
固态电解质位于阳极化氧化铝层2的表面。固态电解质选用RbCu4Cl3I2，利用磁控溅射的方式将固态电解质沉积到附有氧化铝的多孔铝电极层1上，将空洞填满的基础上继续生长100 nm。利用化学机械抛光发对固态电解质层3的上表面进行抛光，平整度为5 nm。顶电极层4位于固态电解质之上。利用热蒸镀的方式进行100 nm铜电极的制造。
实施例4
本实施例公开了电容值为450 nF/cm3的固态电容器及其制造方法。其中，电容器包含多孔铝电极层1、阳极化氧化铝层2、固态电解质和顶电极层4。工艺步骤包括多孔铝电极层1制备，阳极化氧化铝层2制备，固态电解质沉积，固态电解质平坦化处理，顶电极层4的制备。
将孔径200 um，孔径深度50 um，孔隙率90%的二维网状结构高分子材料金属化，然后才去电镀工艺再其骨架表面镀一层铝，再经过热处理去除内部高分子材料得到多孔电极，铝电极厚度为100 um，大小为0.5 mm*0.5 mm。多孔电极的孔洞集中在铝电极的一面形成，另一面保持光滑平整，且孔洞不将铝电极贯穿。
多孔铝电极层1和顶电极层4分别位于电容器的两端，中间夹有阳极化氧化铝与固体电解质。其中，阳极化氧化铝层2的厚度为100 nm。多孔铝电极层1光滑面连接电源正极，电源负极连接碳棒。启动电源，将铝电极孔洞的一端和碳棒浸泡在柠檬酸/柠檬酸钠电解质溶液中，PH为7， 首先，保持电流密度为2 mA/cm2，电压增加至50 V。 然后，电压保持不变，调整电流使其指数下降至最高值的10%结束。得到阳极化的氧化铝层。
固态电解质位于阳极化氧化铝层2的表面。固态电解质选用Ag2S，利用热蒸镀的方式将固态电解质沉积到附有氧化铝的多孔铝电极层1上，将空洞填满的基础上继续生长50nm。利用化学机械抛光发对固态电解质层3的上表面进行抛光，平整度为10 nm。顶电极层4位于固态电解质之上。利用磁控溅射的方式进行200 nm金电极的制造。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种固态电容器，其特征在于，包括从上到下的的顶电极层、固态电解质、阳极化氧化铝层和多孔铝电极层，所述多孔铝电极层为金属铝电极形成的电极结构，所述电极结构的单表面具有孔隙率为5%-90%的孔洞，所述阳极化氧化铝层覆盖在所述孔洞内壁表面及所述多孔铝电极层的非光滑面，所述固态电解质填充在所述孔洞内并向上延伸生长。
2.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述孔洞为规则排列或非规则排列的非贯穿孔。
3.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述孔洞的形状为长方形、圆形、椭圆形或不规则形状。
4.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述孔洞的大小为50nm-500um，深度为10nm-100um。
5.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述阳极化氧化铝层的厚度为5nm-100nm。
6.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述顶电极层的厚度为50 nm-15um。
7.根据权利要求1所述的固态电容器，其特征在于：所述固态电解质向上延伸生长50nm-500nm。
8.一种制作如权利要求1-7所述的电容器的方法，其特征在于：包括以下步骤
（1）通过刻蚀或压制的方法形成单表面具有孔洞的多孔铝电极层；
（2）将所述多孔铝电极层的光滑面连接电源正极，电源负极连接碳棒进行阳极氧化得到阳极化氧化铝层；
（3）对固态电解质进行沉积，使得所述孔洞填满并向上延伸生长；
（4）通过物理增材制造方法在所述固态电解质上进行顶电极层的制备。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：还包括对生长沉积的固态电解质做平坦化处理。
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