CN1222962C - 固态电容器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态电容器，特别涉及固态电容器的大批量生产的制造方法。本发明寻求提供一种简化方法，以便提供经济的优点，该方法包括：提供衬底层，在衬底层的表面上形成多个直立体，直立体由多孔的经烧结的阀作用材料构成，在直立体上形成电介质层，把保护层施加到在分开邻近直立体的区域中出现的电介质层上，以封装每个直立体侧壁的基底部分，在直立体上暴露的电介质层上和直立体之间的保护层上形成阴极层，用保护绝缘材料填充直立体之间的区域，以封装直立体侧壁除基底部分以外的部分，把阴极端子施加到每个直立体的上端区域，把经处理的衬底分割成多个独立的电容器，每个独立的电容器具有在包括经分割的衬底一端的阳极端子部分，包括多孔体的电容中间部分以及在另一端的阴极端子部分。
Description
本发明涉及固态电容器领域，特别，本发明涉及固态电容器的大批量生产的制造方法。
在美国专利第5,357,399号(发明人Ian Salisbury)中描述固态钽电容器的大批量生产方法。这种方法包括提供固态钽的衬底圆片，在衬底上形成经烧结的，有很多孔的钽层，用通道的正交图案锯开多孔钽层，以产生直立的多孔钽直线体的阵列，对所述体进行阳极氧化，以在其上产生电介质层，把所述体浸渍在硝酸锰溶液中，并加热使所施加的溶液转化成二氧化锰，从而形成阴极层，通过除去连接邻近所述体的二氧化锰，沿通道切割，以使各个直立体的阴极和阳极端子隔离，在通过隔离切割而得到的新暴露的钽衬底上再形成电介质层，施加相应的碳的导电层，然后把银施加到每个体的顶端，把包括固态金属圆片的盖粘合到银层上，把绝缘树脂材料注入衬底和盖所限定的所述体之间的通道，在垂直于圆片的平面方向和沿每个通道的中心线切开组件，从而产生多个电容器，其中，阳极端子包括衬底材料，阴极极端子包括盖材料，而电容体包括被涂覆的多孔钽体。
这个方法允许制造很小的、可靠的、高容量效率的电容器。然而，电子工业对元件的小型化不断地提出要求，对于制造更小的和效率更高的电容器存在一定的压力。
我们最近的PCT出版物WO 00/28599描述Salisbury方法的修改版本。在这个版本中，通过直接在多孔电容器的银/碳涂覆的顶端上形成阴极端子而增加各个电容器的容量效率。这样，可以省略Salisbury方法中施加的固态盖层。由固态盖层占据的体积因此可用于增加多孔体的大小。所以，对于给定的电容器大小，可以包括较大体积的电容材料。
对于在这些制造方法中的有效的改进还继续存在压力。本发明进行寻求以提供上述类型的多个电容器制造方法的简化方法，从而在经济上提供有利条件，这导致较廉价的电容器。
根据本发明的一个方面，提供一种固态电容器的制造方法，所述方法包括下列步骤：
提供衬底层，
在衬底层的表面上形成多个直立体，所述直立体由多孔的经烧结的阀作用材料构成，
在所述直立体上形成电介质层，
把电气绝缘保护层施加到在分开邻近直立体的区域中出现的电介质层上，以封装每个所述直立体侧壁的基底部分，
在直立体上暴露的电介质层上和所述直立体之间的保护层上形成阴极层，
用保护绝缘材料填充所述直立体之间的区域，以封装所述直立体侧壁除基底部分以外的部分，
把阴极端子施加到每个直立体的上端区域，
把经处理的衬底分割成多个独立的电容器，每个独立的电容器具有在包括经分割的衬底一端的阳极端子部分，包括多孔体的电容中间部分以及在另一端的阴极端子部分。
在形成电介质层之后和在形成阴极层之前施加绝缘保护层，大大地简化了每个电容器的阳极和阴极部分的隔离。现有技术隔离方法包括磨削在相邻体之间的区域中的阴极和电介质层两者，从而暴露新的衬底。然后必须在新形成的衬底上通过第二电介质形成方法形成电介质层。本发明提供一种方法，其中，进行单次的电介质层形成处理。因为保护层屏蔽相邻体之间的电介质层，所以不需要通过衬底的磨削。因此，大大地简化了隔离步骤，降低了生产时间和成本。
所述方法可以进一步包括一个步骤，其中，除去至少一部分在其上涂覆有阴极层的保护层。可以通过机械、化学或其它合适的手段除去。最好，除去围绕每个直立体的一部分保护层，从而围绕每个直立体形成没有阴极层材料的边界表面。在本发明的一个方面，通过机械加工形成保护层的铲削薄层。可以借助切割轮或锯子进行铲削。不得把切削扩展到保护层下面的电介质层。这样，保持了电介质层的完整性。
必须把保护层较好地粘合到电介质层，并与电介质层形成紧密的接触，以便防止阴极层材料污染涂覆保护层的电介质层。可以施加保护层作为永久的部件或临时的部件。例如，永久保护层可以保留在通过本发明的方法制造的电容器的结构中。典型的保护材料是含氟聚合物和环氧树脂。在保护层中结合相对于封装材料突出的彩色或结合在保护层中的对比度，可以得到永久保护层的另一个优点。这样，所提供的成品电容器具有指示电容器极性的定位指示，其中，保护层相应于阳极端。
在锰化处理(阴极层形成)之前施加临时保护层，并在封装之前除去。临时保护层可以是光刻保护层，可化学分离的保护层或可机械地除去的保护层。
在封装处理中，可在涂覆的阴极和终止的电容器体之间填充绝缘材料。当接着分割衬底时，所填充的绝缘材料形成围绕电容器的中间部分的保护套，只留下暴露的阳极和阳极端子部件。最好，封装材料是塑料树脂材料，特别，是设定环氧树脂。
封装可以包括初始阶段，在该阶段中，例如，在直立体之间的空间中掺入粉末状的热塑性树脂，然后对衬底加热使之熔化，以形成在每个体的侧面上的部分(partway)热塑性层。最好，使用与主封装树脂的颜色不同的树脂进行这个初始的部分-封装，从而在成品电容器中提供可看到的极性指示。另一方面，可以通过诸如激光蚀刻之类的其它标记形成来指示极性。
可以通过终端处理使电容器体形成有用的电容器，在该处理中，每个电容器体的各个暴露的阴极和阳极表面是用终端材料涂覆的液相或气相，所述终端材料促进电容器的各个端子到电路的电气连接。
各个终端涂覆可以在电容器体的每个端子形成一个柱头，如同在工业-标准5-侧面的终端处理中。
在某些较佳实施例中，阀作用(valve-action)材料是钽。然而，在本发明的方法中可以使用其它阀作用材料。这些材料可以是金属或非金属，基本特征是电容器形成能力。合适的金属材料有铌、钼、铝、钛、钨、锆以及它们的合金。较佳例子是铌和钽。
当阀作用材料是钽时，最好衬底是固态钽圆片，从而保证与多孔材料的物理和化学相容性。
可以通过处理形成直立阳极体，这个处理包括把阀作用材料粉末层压制到衬底上，并烧结而使粉末粒子熔化。一般，在较细等级的粉末压制到衬底上之前，可以把粗等级粉末的种子层(seeding layer)施加到衬底上，并进行烧结。粗等级粉末提供机械固定(keying)，保证在坚固的多孔层和衬底之间产生强连接。强连接是必需的，以保证在接着的制造方法步骤期间，不会发生多孔层与衬底的分离。从而，可以对所产生的多孔阀作用金属的相关层进行加工或处理，以产生独立的阳极体。可以对在衬底上形成的多孔烧结层进行加工而形成体。可以借助正交锯割进行加工而形成直线的体。可以使用其它的体形成处理，例如，各个体的压制和铸造的组合，如在我们的申请号9918852.6的专利中所述。
可以通过电解阳极氧化处理形成电介质层，在该处理中，在多孔经烧结的阳极体上逐渐生成氧化膜。合适的方法为熟悉本技术领域的人员众知。
把阳极体浸渍到诸如硝酸锰之类的阴极层产物母液中可以形成阳极体，然后加热以产生二氧化锰的阴极层。可以重复进行浸渍和加热步骤，以便逐渐生成所要求的深度以及阴极层的完整性。
施加了阴极层，阳极体就变成包括阳极部分的电容体，所述阳极部分包括：阀作用粉末、阀作用氧化物的绝缘层以及掺氧化物的导电阴极层的互连基体。
根据本发明的又一个方面，提供由上述任何方法制造的电容器。
根据本发明的另一个方面，提供电子或电气装置，所述装置包括由上述任何方法制造的电容器。
下面参考实现本发明的一种方法的附图，仅对例子进行说明。
在附图中：
图1是在根据本发明的一个实施例进行处理期间的衬底的剖视图。
图2是在处理中的加工步骤之后从衬底上面的视图。
图3是在根据本发明的一个实施例进行处理期间的衬底的剖视图。
图4是在根据本发明的一个实施例进行处理期间的衬底的剖视图。
图5是在根据本发明的一个实施例进行处理期间的衬底的剖视图。
图6示出从根据本发明的方法制造的电容器的一个侧面的剖视图。
在图1中示出通过固态钽圆形圆片的横截面为10。已经在圆片的上表面上烧结粗粒电容器等级钽粉末12的散布物。然后把细-粒电容器等级钽粉末的绿色(即，未烧结的)混合物压制到衬底的上表面，以形成绿色层13。
烧结绿色层，以使细粒粉末熔化成整体的多孔网状物。在约摄氏1600度处进行烧结(最佳温度有赖于粉粒的大小和烧结处理的持续期)。烧结处理还把多孔层熔化到粗粒种子层12上。
然后对衬底组件进行加工，以产生横向通道14和纵向通道15的正交栅格，如在图2中所示。使用移动旋转切割轮磨削通道。切割通道，使它们的深度刚超过多孔钽层的高度，以致切割落到衬底上，如在图3中所示。
加工处理在衬底上产生正交部分体16的阵列。多孔体形成电容器的阳极部分。通过在电解槽(例如，0.1％的磷酸溶液)中的阳极氧化把绝缘电介质层(未图示)施加到阳极体上，而同时把直流电源的正端连接到衬底上。这导致在所述体的阀作用多孔表面和暴露的衬底上形成形成薄的五氧化钽层。
然后沿通道14和15施加耐热电气绝材料的保护层30。保护层围绕直立体16，并屏蔽在衬底的暴露表面上形成的下面的氧化钽层。还通过保护层的厚度屏蔽阳极体的下面的暴露表面31。
如果保护材料要求高温固化，或沉积或固化处理给予电容器的外部表面任何应力，则可能需要在施加阴极层之前重复阳极氧化处理。
然后通过众知的锰化处理在阳极体上形成阴极层(未图示)。在这个处理中，把经阳极氧化的阳极体浸入硝酸锰溶液中，在每个体上留下一层湿的溶液，并覆盖它的内部多孔性。在潮湿空气中使衬底加热，以把硝酸盐涂层转化为二氧化物。可以重复浸入和加热循环多达20次或更多，以便生成所要求的相关阴极层。绝缘保护层的厚度提供衬底(在成品电容器中它成为阳极端子)和电气地连接到阴极端子的阴极层之间的绝缘隔离。在锰化处理期间(阴极层沉积)和/或碳/银阴极终端处理期间，可能已经用导电材料对保护层进行部分涂覆，而这是一个潜在的漏电流通路。为了防止这个问题，最好保护层材料在能量方面和化学方面相对于阴极层材料或终端材料(例如，碳和银膏)是不相容的。在能量方面和化学方面不相容意味着保护层相对于阴极层或终端层液体材料应该是基本上不可沾湿的和在化学方面是惰性的。然而，当不可避免不希望有的污染时，通过又一个处理步骤除去杂散材料。在永久保护材料的情况下，可以通过化学蚀刻或分解、机械磨削或切割或诸如借助激光器的局部加热来除去杂散材料。对于临时材料，可以通过通常除去该材料的合适方法选择地除去保护层。因此，在本发明的一个例子中，沿每个通道的中心线通过薄的切割32除去保护材料的薄层和任何涂覆的导电材料，以便除去保护材料的窄小通道和它的被涂覆阴极材料的层。
一旦完成锰化，就浸入液体碳膏的槽中，用导电碳的中间层涂覆被锰化的所述体的顶端。在已经固化碳层之后，把被涂覆碳的所述体浸入液体银膏中，把又一个银的中间层21涂覆到碳层上。为了保证银不直接接触不相容的氧化物层，所以不允许银层超过碳层27。然后允许银层21固化成固态。
用液体环氧树脂20填充电容器之间的通道14、15，如在图5中所示。环氧树脂围绕每个电容器的侧面，高度正好在每个电容器的顶端的下面。通过注入环氧树脂而填充通道，从而保证填充通道所确定的全部空间。用又一个银膏层22涂覆整个组件的顶部表面。可以把临时固体盖板(未图示)施加到银层，以便保证产生平坦的成品。在环氧树脂注入期间，还可以使用盖来提供结构限定。
现在可以沿每个通道14、15的中心线把圆片切成片(如图5中的虚线所示)，以便把每个电容器与它的邻居分开。在图6中示出所产生的独立的电容器结构。
每个电容器包括阳极端子部分23，所述阳极端子部分包括衬底材料。电容器16是直立在衬底上，封装在环氧树脂侧壁24、25中的。在碳膏层27、银膏层21和又一个银膏层22(它形成元件的阴极端子部分)中覆盖每个电容器的顶端区域。围绕每个体16的底部的是保护层30。把保护层涂覆在衬底上表面41的电介质层上以及体16的侧壁的较下区域。示出二氧化锰阴极层为层42。该层基本上经过体的整个上表面而延伸。阴极层还覆盖保护层的内部边界部分43。窄小切割32在保护层中形成一个台阶。该台阶没有阴极层材料，并且与封装材料24/25形成紧密结合。保护层的厚度提供阴极层42/43和阳极端子23之间的隔离间隔。
成品处理阶段是5-侧面的终端处理。这是电子工业中众知的方法，它包括形成终端柱头28、29，所述柱头形成电容器的外部端子。终端层金属可以包括银、镍和锡的分立的层(最好按该次序)。这些是形成电气连接的合适的金属，用于把电容器的端子焊接到触点或电气或电子线路的其它元件。
本发明是以往已知方法的精美的适配，它提供极简化的制造方法，不需要第二个费时间的电介质层形成步骤，大大地改进了处理的效率，允许降低成本和提高可靠性。
Claims (8)
1.一种固态电容器的制造方法，所述方法包括下列步骤：
提供衬底层，
在衬底层的表面上形成多个直立体，所述直立体由多孔的经烧结的阀作用材料构成，
在所述直立体上形成电介质层，
把电气绝缘保护层施加到在分开邻近直立体的区域中出现的电介质层上，以封装每个所述直立体侧壁的基底部分，
在直立体上暴露的电介质层上和所述直立体之间的保护层上形成阴极层，
用保护绝缘材料填充所述直立体之间的区域，以封装所述直立体侧壁除基底部分以外的部分，
把阴极端子施加到每个直立体的上端区域，
把经处理的衬底分割成多个独立的电容器，每个独立的电容器具有在包括经分割的衬底一端的阳极端子部分，包括多孔体的电容中间部分以及在另一端的阴极端子部分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在施加阴极层之后，除去至少一部分在其上涂覆有阴极层的保护层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，除去围绕每个直立体的一部分保护层，从而围绕每个直立体形成没有阴极层材料的边界表面。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，保护层是有颜色的或相对于保护绝缘材料有对比色调的，从而所提供的成品电容器具有指示电容器极性的定位指示，保护层部分对应于阳极端。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，衬底材料与阀作用材料是热相容和电气相容的。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，衬底材料与阀作用材料是热相容和电气相容的。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，阀作用材料和衬底材料是钽。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，阀作用材料和衬底材料是钽。
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