CN1308346A - 单片电容器 - Google Patents
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Abstract
一种单片电容器,包括:多个单片陶瓷电容元件,它们的两端装有外部电极;各单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上布置钎焊焊层;与各单片陶瓷电容元件的外部电极电连接的金属接线端。各单片陶瓷电容元件通过钎焊焊层互相连接并互相叠置。各单片陶瓷电容元件的外部电极通过所述钎焊焊层彼此电连接。
Description
本发明涉及单片电容器，具体地说，本发明涉及一种具有高电容的单片电容器，它包括多个单片陶瓷电容元件和金属接线端，用作譬如钽电解电容器的代用品，用以平稳DC-DC变换器中的电源电路，或其它适宜的用途。
为了通过保证弯曲强度及减轻热应力改善热冲击电阻，使用带金属接线端的单片电容器。在这种单片电容器中，用金属接线端支持各单片陶瓷电容元件，以便不与基板接触。另外，如日本未审实用新型公开平-1-112032中所述，使多个金属接线端被弯曲。采用上述技术，还可以减小热胀系数较高的基板，如铝基板与各单片陶瓷电容元件之间热膨胀的差异。
在这种单片电容器中，在形成多个单片陶瓷电容元件时，利用导电树脂或钎焊焊剂，使各单片陶瓷电容元件的外部电极彼此部分相连。
然而，有关这种单片电容器，其中利用导电树脂或钎焊焊剂，使各个单片陶瓷电容元件的外部电极，各接点处的热应力集中，而且各接点及单片陶瓷电容元件中可能发生热裂，造成静电电容减小。
为了克服上述问题，本发明的优选实施例提出一种热冲击阻力高的单片电容器，同时避免现有减少的所有问题。
按照本发明的各优选实施例一种单片电容器包括多个单片陶瓷电容元件，它们的两端装有外部电极，每个单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上布置钎焊焊层，与各单片陶瓷电容元件的外部电极电连接的多个各金属接线端。各单片陶瓷电容元件互相叠置，并通过钎焊焊层互相连接，而且所述单片陶瓷电容元件的外部电极通过所述钎焊焊层彼此电连接。
本发明各优选实施例的单片电容器中，最好各金属接线端通过所述钎焊焊层与至少一个单片陶瓷电容元件直接连接。在这种情况下，各金属接线端不能与至少一个其它的单片陶瓷电容元件直接连接。
本发明各优选实施例的单片电容器中，最好每个金属接线端包括中间部分，位于所述中间部分的一个边缘上的端部，它面向所述中间部分，其间有间隔，还包括位于所述中间部分另一边缘上的端部，其中所述端部给所述金属接线端以弹性，并通过所述的钎焊焊层与所述单片陶瓷电容元件的外部电极相连。在这种情况下，可在金属接线端的内表面上形成阻碍焊接的膜层。
此外，本发明各优选实施例的单片电容器中，在金属接线端上有切口，用以调节电抗分量。
本发明各优选实施例的单片电容器中，由于各单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上布置有所述焊层，所以热应力被所述焊层所分散，并且防止各单片陶瓷电容元件的接点中和各单片陶瓷电容元件中发生热裂。因此，本发明的单片电容器中的热冲击阻力大大得到改善。
从以下参照附图详细描述实施例，将使本发明的其它特征、元件、特点和优点愈为清晰，其中：
图1是本发明第一优选实施例单片电容器的透视图；
图2是表示一个单片陶瓷电容元件的示意图；
图3是本发明第二优选实施例单片电容器的透视图；
图4是第一比较例单片电容器的透视图；
图5是表示图4所示单片电容器主要部分的装配示意图；
图6是第二比较例单片电容器的透视图；
图7是本发明第三优选实施例单片电容器的透视图；
图8是本发明第四优选实施例单片电容器的透视图；
图9是本发明第五优选实施例单片电容器的透视图；
图10是本发明第六优选实施例单片电容器的透视图；
图11是第三比较例单片电容器的透视图；
图12是本发明第七优选实施例单片电容器的透视图。
图1是本发明第一优选实施例单片电容器的透视图。图1中所示的单片电容器10最好包括三个单片陶瓷电容元件12。
如图2所示，单片陶瓷电容元件12包括叠层片14。叠层片14包括多个譬如由钛酸钡基介电材料或其它适宜的材料制成的介电层16，还包括多个由诸如Ni等电极材料或其它适宜的材料制成的内部电极18。多个介电层16和多个内部电极18被交替地叠置。在这种情况下，使内部电极18每隔一个排列成，延伸到叠层14的一侧，同时保持其它内部电极18排列成，使延伸至叠层14的另一侧。在叠层14一侧包含的一个端部上，依次安排Cu层20a、Ni层22a和Sn层24a，构成外部电极。在这种情况下，在叠层14的一端加给厚度为100μm的Cu的糊剂，并在150℃条件下实行干燥约10分钟，随之在800℃条件下烘干约5分钟，形成Cu层20a。继而，利用湿法电镀形成厚度约为1μm的Ni层22a，并形成厚度约为5μm的Sn层24a。类似地，在包含叠层14另一侧的另一端上，依次形成Cu层20b、Ni层22b和Sn层24b，构成外部电极。
如图1所示，利用流动的焊接剂，将三个单片陶瓷电容元件12与两个最好由比如Fe-Cr合金制成的金属接线端30a和30b连在一起。
这就是说，金属接线端30a包含平板状中间部分32a。在中间部分32a的上边缘布置平板状的端部34a。端部34a与中间部分32a之间可开有间隙。将端部34a的竖直长度最好约为2.5mm，这略长于单片陶瓷电容元件12的高度。中间部分32a的下边缘安排平板状端部36a，使其沿着基本上垂直于中间部分32a的方向延伸。因此，端部34a将弹性传递给金属接线端30a。金属接线端30a的外表面(即中间部分32a和端部34a的表面，除去彼此面对的表面之外，以及与之相连的端部36a的下表面)受到钎焊料镀层。另外，当容易被焊接的金属接线端材料采用比如黄铜时，金属接线端30a的内表面(中间部分32a和端部34a互相面对的表面，以及与之相连的端部36a的上表面)上，形成阻碍焊接的膜层38a。膜层38a最好由比如金属氧化物、石蜡、树脂或硅油或者其它适宜的材料制成。类似地，另一个金属接线端30b包含中间部分32b、端部34b和端部36b，外表面受到钎焊料镀层，而内表面上形成阻碍焊接的膜层38b。
钎焊焊层26a和26b最好由高温焊剂，如Pb∶Sn＝85∶15制得，它通过流动的焊剂分别布置于三个单片陶瓷电容元件12的外部电极(Sn层24a和24b)的整个表面上。，三个单片陶瓷电容元件12互相重叠并利用焊层26a和26b彼此连接，而且各外部电极彼此电连接，而且，金属接线端30a和30b的端部34a和端部34b连到下部单片陶瓷电容元件12的外部电极。
图3是本发明第二优选实施例单片电容器的透视图。图3所示单片电容器10不同于图1所示单片电容器10，金属接线端30a和30b的端部34a和34b的纵向长度最好约为7.0mm，这实质上等于连在一起的三个单片陶瓷电容元件12的高度。相应地，金属接线端30a和30b的中间部分32a和32b的纵向长度比较长。利用焊层26a和26b，使金属接线端30a和30b的端部34a和34b与三个单片陶瓷电容元件12的外部电极相连。
图4是第一比较例单片电容器的透视图，而图5是表示图4所示单片电容器主要部分的装配示意图。在图4所示的单片电容器11中，与图1所示的单片电容器10比较，只将钎焊焊剂25a和25b(参见图5)加到三个单片陶瓷电容元件12的外部电极互相面对的部分，而且再使由Fe-Cr合金制成的金属接线端30a和30b与单片陶瓷电容元件12相连。因此，焊层26a和26b只布置于三个单片陶瓷电容元件12的外部电极互相面对的部分和各外部电极与金属接线端彼此面对的部分上。
图6是第二比较例单片电容器的透视图。图6中所示的单片电容器11与图3所示的单片电容器10相比，只将焊剂加于三个单片陶瓷电容元件12的外部电极互相面对的部分，然后再使由Fe-Cr合金制成的金属接线端30a和30b与各单片陶瓷电容元件12相连。因此，焊层26a和26b布置于三个单片陶瓷电容元件12的外部电极互相面对的部分以及底部单片陶瓷电容元件12的外部电极与金属接线端互相面对的部分。
按照本发明优选实施例1和2以及比较例1和2中所示例结构的单片电容器，最好每一个都装在铝基板上，观察热冲击的循环特性，结果示于表1中。其中，关于在使用250次热冲击循环周期和使用500次热冲击循环周期的情况下的热冲击循环特性研究了故障率(故障次数/总次数)，这当中从-50℃至125℃的热变化是一次热冲击循环周期。大于或等于10％的静电容变化(减小)即被认为是故障。
表1
| 金属接线端端部长度(mm) | 金属接线端的材料 | 热冲击循环特性(故障次数/总次数) | ||
| 250次循环 | 500次循环 | |||
| 实例1(图1) | 2.5 | Fe-Cr | 0/36 | 0/36 |
| 实例2(图3) | 7.0 | Fe-Cr | 0/36 | 0/36 |
| 比较例1(图4) | 2.5 | Fe-Cr | 2/36 | 16/36 |
| 比较例2(图6) | 7.0 | Fe-Cr | 2/36 | 10/36 |
有如从表1所能看到的，按照本发明优选实施例1和2构成的实例1和2中的钎焊焊层布置于各单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上，由热冲击引起的故障次数为0。相反，比较例1和2中的钎焊焊层部分地形成于各单片陶瓷电容元件的外部电极的表面上，由于热冲击发生的故障较多。
所得到的结果原因在于，当各单片陶瓷电容元件的外部电极彼此通过焊层局部连接时，在热冲击试验中，有热应力集中在接点处，在接点和各单片陶瓷电容元件内会发生热裂，同时引起静电容减小。相反，当各单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上布置焊层时，会通过焊层而分散热应力，防止在各单片陶瓷电容元件与单片陶瓷电容元件的接点处发生热裂，从而改善热冲击阻力。
另如上面的实例1和2所述，当在各单片陶瓷电容元件的外部电极的整个表面上布置所述钎焊焊层时，由于各单片陶瓷电容元件的连接强度大大提高，所以无需相应于被连在一起的单片陶瓷电容元件的外部电极形成金属接线端。
此外，有如上面的实例1和2所述，由于金属接线端的端部将弹性传递给金属接线端，就能减小其上安装所述单片电容器的基板与各单片陶瓷电容元件之间热膨胀的差异。再有，由于金属接线端的内表面上形成阻碍焊接的膜层，所以不会因焊剂附于金属接线端的内表面削弱金属接线端的弹性。
图7是本发明第三优选实施例单片电容器的透视图。图7中所示的单片电容器10的结构与图1所示单片电容器10的结构基本相同。
图8是本发明第四优选实施例单片电容器的透视图。图8中所示的单片电容器10不同于图7中所示的单片电容器10，最好由Fe-Cr合金制成的金属接线端30a和30b的端部34a和34b的纵向长度约为5.1mm，这实质上等于连在一起的两个单片陶瓷电容元件12的高度。相应地，金属接线端30a和30b的中间部分32a和32b的纵向长度比较长。
图9是本发明第五优选实施例单片电容器的透视图。图9中所示的单片电容器10的结构最好与图3所示单片电容器10的结构相同。
图10是本发明第六优选实施例单片电容器的透视图。图10中所示的单片电容器10不同于图9中所示的单片电容器10，金属接线端30a和30b的端部34a和34b的纵向长度约为10.1mm，这长于连在一起的三个单片陶瓷电容元件12的高度。相应地，中间部分32a和32b的纵向长度比较长。
图11是第三比较例单片电容器的透视图。在图11所示的单片电容器11中，相比图7至10中所示的单片电容器10，它没有金属接线端30a和30b。
对于本发明优选实施例3、4、5和6以及比较例3中所示例结构的单片电容器，测量等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)，当把每个单片电容器装于环氧玻璃基板上时，测量偏差，而且在把每个单片电容器装于铝基板上时，测量热冲击循环特性。它们的结果被示于表2中。在100kHz和400kHz下测量ESR，而在10MHz下测量ESL。对于热冲击循环特性，研究了在使用250次热冲击循环周期情况下的故障率(故障次数/试验总次数)，其中从-55℃至125℃的热变化是一次热冲击循环周期。大于或等于10％的静电容变化(减小)即被认为是故障。
表2
| 金属接线端端部的长度(mm) | 金属接线端的材料 | 100kHz下的ESR(mΩ) | 400kHz下的ESR(mΩ) | 10MHz下的ESL(nH) | 偏差(mm) | 热冲击循环特性(故障次数/总次数) | |
| 实例3(图7) | 2.5 | Fe-Cr | 5.9 | 6.4 | 1.3 | 4.2 | 0/36 |
| 实例4(图8) | 5.1 | Fe-Cr | 7.2 | 7.6 | 1.6 | 7或更大 | 0/36 |
| 实例5(图9) | 7.0 | Fe-Cr | 9.0 | 9.8 | 2.0 | 7或更大 | 0/36 |
| 实例6(图10) | 10.1 | Fe-Cr | 15.0 | 15.9 | 3.2 | 7或更大 | 0/36 |
| 比较例3(图11) | 3.0 | 0.1 | 0.8 | 1.5 | 36/36 |
有如从表2所能看到的，当使用由Fe-Cr合金制成的金属接线端时，通过将金属接线端的端部长度设定为5.1mm，使ESR和ESL的增大减到最小，并可使故障及热冲击循环特性大大提高。
对于实例3、4、5和6以及比较例3中的单片电容器，其中的金属接线端由黄铜制成，测量ESR和ESL，当把每个单片电容器装于环氧玻璃基板上时，测量偏差，并在把每个单片电容器装于铝基板上时，测量热冲击循环特性。它们的结果被示于表3中。
表3
| 金属接线端端部的长度(mm) | 金属接线端的材料 | 100kHz下的ESR(mΩ) | 400kHz下的ESR(mΩ) | 10MHz下的ESL(nH) | 偏差(mm) | 热冲击循环特性(故障次数/总次数) | |
| 实例3(图7) | 2.5 | 黄铜 | 3.3 | 3.1 | 1.0 | 4.2 | 2/36 |
| 实例4(图8) | 5.1 | 黄铜 | 3.6 | 3.1 | 1.2 | 7或更大 | 0/36 |
| 实例5(图9) | 7.0 | 黄铜 | 3.7 | 3.1 | 1.5 | 7或更大 | 0/36 |
| 实例6(图10) | 10.1 | 黄铜 | 4.8 | 3.1 | 2.2 | 7或更大 | 0/36 |
| 比较例3(图11) | 3.0 | 0.1 | 0.8 | 1.5 | 36/36 |
有如从表3所能看到的，当使用由黄铜制成的金属接线端时，虽然热冲击循环特性略为下降，但可使ESR进一步减小。
在上述各单片电容器中，如果加大金属接线端的长度，则ESR和ESL增大，这是有害的。因此，最好将金属接线端的长度设定得尽可能短。另一方面，对于DC-DC转换器的反馈控制电路，在所要调解的频带内，ESR最好是恒定的，大致在几毫欧姆到10毫欧姆。如果采用本发明各优选实施例的单片电容器及其制作方法，可以大大减小金属接线端的长度，并可通过调节金属接线端的长度进行精确地调解和控制，以满足上述条件。
这就是说，按照本发明各优选实施例，可将金属接线端的长度设定成热冲击循环特性和弯曲强度所需的最小值，并可使ESR和ESL大大减小。本发明各优选实施例通过调整金属接线端的电阻及长度，可以较为容易且准确地制成具有所需ESR的单片电容器。
图12是本发明第七优选实施例单片电容器的透视图。图12中所示的单片电容器10不同于图1中所示的单片电容器10，沿金属接线端30a和30b的中间部分32a和32b宽度方向，在靠近中心处分别设置切口40a和40b。通过在金属接线端30a和30b中设置切口40a和40b，可使金属接线端30a和30b的电抗分量得到调节。此外，如图12所示，在金属接线端30a内，由切口40a分开的端部36a的第一部分，以及第二部分分别与图样电极P1和P2相连，而在金属接线端30b内，由切口40b分开的端部36b的第一部分，以及第二部分分别与图样电极P3和P4相连。由于在被金属接线端30b(30a)的切口40b(40a)分开的中间部分32b(32a)的第一部分与第二部分中的电流沿相反方流动，使磁通量互相抵消，从而可使ESL大大减小。另外，所述切口40a和40b并非一定要形成于金属接线端30a和30b的中间部分32a与32b的靠近中心处，而是可以形成于金属接线端30a和30b的其它区域。再有，可以形成多个切口。
虽然上述各优选实施例的示例中均采用三个单片陶瓷电容元件，但本发明中也可采用两个或者四个以上单片陶瓷电容元件。
虽然上述各优选实施例所示例的单片陶瓷电容元件的外部电极均有包含Cu层、Ni层和Sn层的三层结构，不过所述外部电极也可有其它结构，只要它是可以焊接的即可。
此外，本发明的各优选实施例中，为了提高多个单片陶瓷电容元件之间的结合强度，可将结合用的树脂嵌入各单片陶瓷电容元件之间的靠近中心处。
金属接线端的材料不限于Fe-Cr合金或黄铜，也可采用Ag、Ni、Cu、Fe和Cr，或它们的合金，或者其它适宜的材料。
按照本发明各优选实施例，可以得到具有高热冲击阻力的单片电容器。另外，本发明各优选实施例还可避免增大ESR和ESL。
虽然已参照其优选实施例描述了本发明，但按照上述教导，本发明的很多改型和变化都是可能的。因此，将能理解，在所附权利要求的范围内，除了有如特别叙述的那样，本发明还可以其它方式实现。
Claims (20)
1.一种单片电容器，它包括：
多个单片陶瓷电容元件，它们的两端有外部电极；
各单片陶瓷电容元件的外部电极布置覆盖整个表面的钎焊焊层；
与各单片陶瓷电容元件的外部电极电连接的金属接线端；其特征在于：
各单片陶瓷电容元件互相叠置并通过钎焊焊层彼此连接；所述单片陶瓷电容元件的外部电极通过所述钎焊焊层彼此电连接。
2.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述各金属接线端通过所述钎焊焊层与至少一个单片陶瓷电容元件直接连接。
3.一种如权利要求2所述的单片电容器，其特征在于，所述各金属接线端不能与至少一个其它的单片陶瓷电容元件直接连接。
4.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述每个金属接线端包括中间部分，位于所述中间部分的一个边缘上的端部，它面向所述中间部分，其间有间隔，还包括位于所述中间部分另一边缘上的端部，所述端部被布置成给所述金属接线端以弹性，并通过所述钎焊焊层之一与所述单片陶瓷电容元件的外部电极相连。
5.一种如权利要求4所述的单片电容器，其特征在于，在所述金属接线端的内表面上布置阻碍焊接的膜层。
6.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，金属接线端上包括至少一个切口，它们被布置成用以调节金属接线端的电抗分量。
7.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述多个单片陶瓷电容元件中的每一个都包括具有多个介电层的叠层，还包括多个内部电极，它们交替地布置在所述多个介电层上。
8.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，至少一个所述外部电极包括Cu层、Ni层和Sn层。
9.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述多个单片陶瓷电容元件至少包括三个单片陶瓷电容元件，而且所述至少三个单片陶瓷电容元件被连接在一起。
10.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述金属接线端由Fe-Cr合金制成。
11.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述钎焊焊层由含Sn的高温焊剂制得。
12.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，所述金属接线端包括端部，所述端部与多个单片陶瓷电容元件之一的外部电极连接。
13.一种如权利要求12所述的单片电容器，其特征在于，所述金属接线端的端部的纵向长度实质上等于连在一起的多个单片电容元件的高度。
14.一种如权利要求13所述的单片电容器，其特征在于，所述连在一起的单片电容元件的数目为3。
15.一种如权利要求13所述的单片电容器，其特征在于，所述连在一起的单片电容元件的数目为2。
16.一种如权利要求12所述的单片电容器，其特征在于，所述金属接线端的端部的纵向长度长于连在一起的多个单片电容元件的高度。
17.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，每个所述金属接线端上至少形成一个切口。
18.一种如权利要求17所述的单片电容器，其特征在于，所述至少一个切口位于每个金属接线端的中间部分的靠近中心处。
19.一种如权利要求1所述的单片电容器，其特征在于，每个所述金属接线端上形成多个切口。
20.一种如权利要求19所述的单片电容器，其特征在于，所述多个切口位于所述金属接线端的中间部分的靠近中心处。
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