CN1359118A - 制造多层电子陶瓷元器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种制造多层电子陶瓷元器件的方法,尤其是指一种用紫外线或电子束来固化成型陶瓷与导电浆料的制造多层电子陶瓷元器件的方法,其将陶瓷粉末、金属粉末分别与可用紫外线或电子束辐射固化的粘合剂混合而配制成陶瓷浆料及电极浆料,这些浆料可用涂布或印刷的方式成型,然后用紫外线或电子束固化。交替采用涂布/印刷与固化步骤,可制成高精度的生坯。再经排胶烧结,即可制成多层的电子陶瓷元器件。这些元器件可具有层间连通点。本发明的制造方法具有周期短、精度高、节能、生产成本低和不污染环境等优点。
Description
【发明领域】
本发明是一种制造多层电子陶瓷元器件的方法，尤其是指一种用紫外线或电子束来固化成型陶瓷与导电浆料的制造多层电子陶瓷元器件的方法。
【相关技术背景】
目前，制造电子陶瓷元器件时，都需要预先将陶瓷粉末与金属粉末，分别与粘合剂混合，来配制成制造电子陶瓷元器件的陶瓷膜片及电极所必须的陶瓷浆料与电极浆料。传统的粘合剂是用不同的有机高分子材料配制而成，其需要被溶解在有机溶剂或水中。当粘合剂采用水为溶剂时，该粘合剂可以是水溶性的，也可以是非水溶性的。非水溶性的粘合剂需要用分散剂将其分散在水中。目前使用较为广泛的是采用有机溶剂的粘合剂。采用这些传统的粘合剂成型，都要有干燥工序。但干燥时间通常比较长(约几分钟，甚至更长时间)，且干燥工序要消耗大量的热能。此外，采用有机溶剂型的粘合剂时，其干燥工序会有有机溶剂排放，不利于保护环境。
目前制造多层电子陶瓷元器件主要有三种方法，即干法，湿法，及介于两者之间的半干湿法。
美国第5,032,815号专利揭示了一种典型的采用干法工艺生产有层间连通电极的多层电子陶瓷元器件的制造方法。该干法工艺的工序包括涂布，印刷，打孔，灌孔，叠压等，即：将陶瓷浆料涂布在钢带或高分子膜上干燥成型。所需电极是用电极浆料印刷在前述干燥成型好的陶瓷膜片上。当层间电极需要连通时，就在需要连通的位置处将陶瓷膜片打孔，并用电极浆料灌入孔中形成层间连接点。所有需要的陶瓷膜片，包括有电极或没有电极的，都要在高压及一定的温度下叠压粘合在一起，做成多层电子陶瓷元器件的生坯。但其操作工序较多，且需要经过多重对位，包括：在陶瓷膜片上印刷电极、在陶瓷膜片上打孔、在陶瓷膜片上灌入电极浆料、压力叠层等，对制造设备精度要求极高，因此设备的价格也比较昂贵。此外，由于叠压时是在一定温度及高压下进行，因此电极间陶瓷层会有产生相对位移(即“蠕动”现象)。
美国第5,650,199号专利揭示了一种是典型的采用湿法工艺制造具有层间连通连接点的多层电子陶瓷元器件的制造方法。该湿法工艺中，陶瓷浆料的涂布是用瀑布式或类似的涂布机械，将浆料直接涂布在一基板上，经干燥后再在上面印刷电极或连接点。利用连接点浆料(即电极浆料)与陶瓷浆料的不相容性，使涂布在连接点上的陶瓷浆料层形成孔道，令上下层电极能通过连接点连通。这样就省去了干法工艺中的打孔，灌孔等工序。经反复涂布和印刷，制成多层电子陶瓷元器件的生坯。但是，该湿法工艺是直接将液态的浆料涂布在基板或下层已经干燥的生坯上，虽然此方法能使新的涂布层能与下层较好地粘合，而省却了干法工艺中的叠压工序，但由于液态浆料中的溶剂会扩散到下层的生坯，所以会造成收缩不均匀的现象，且存在电极的层间发生短路的隐患。
美国第4,322,698号专利则揭示了一种采用半干湿法来制造多层电子陶瓷元器件的方法，该半干湿法是采用了干法工艺中陶瓷膜片涂布工序来制作多层电子陶瓷元器件底面和上面的绝缘层，而采用湿法工艺中的印刷方法来成型中间的电极与电极间的陶瓷层。其在下层电极与上层电极需要连通的位置上，陶瓷层的印刷给予留空。这样在印刷上层电极时，就可以使上层电极在留空的位置上与下层电极连通。半湿法具有干法和湿法的一些优点，亦具有两种方法的一些缺点，是一种折衷的方法。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种工序简单、尤其是粘合剂无需经过干燥工序的制造多层电子陶瓷元器件的方法。
本发明的次一目的在于提供一种消除了干法工艺中电极间陶瓷层“蠕动”现象的制造多层电子陶瓷元器件的方法。
本发明的又一目的在于提供一种消除了湿法工艺中电极的层间短路隐患的制造多层电子陶瓷元器件的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该制造多层电子陶瓷元器件的方法包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉末、金属粉末分别与粘合剂混合而配制成陶瓷浆料及电极浆料；
其特征在于：所述粘合剂为可用紫外线或电子束辐射固化的粘合剂，且在步骤(1)后，还包括如下步骤：
(2)在基板上涂布陶瓷浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射使其固化形成陶瓷涂层；
(3)在已固化的陶瓷涂层上涂布或印刷电极浆料成一定形状；
(4)用紫外线或电子束辐射使涂布或印刷的电极浆料固化形成电极；
(5)涂布陶瓷浆料成一定形状；
(6)用紫外线或电子束辐射使涂布的陶瓷浆料固化形成陶瓷涂层；
(7)继续执行(3)至(6)步骤直至形成所需要的陶瓷涂层或电极层数，而制成多层电子陶瓷元器件的生坯；
(8)将上述多层电子陶瓷元器件的生坯排胶、烧结，而制成多层电子陶瓷元器件的核心组件，再经上端或引线等工序，制成成品。
依据上述技术特征，在(4)、(5)步骤之间，还可加入以下步骤：
在已固化的电极上，在需要实现连接的位置处涂布或印刷电极浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射固化形成电极连接点，而在此步骤实施后，接着实施步骤(5)，之后用工具(如刮刀)将连接点顶部的陶瓷浆料刮去，而露出该电极连接点的顶表面，其后再实施步骤(6)。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：本方法采用辐射引发粘合剂聚合固化的工艺而取代了干燥工艺，减少了能源消耗和溶剂对环境的污染，且减少了操作时间；本工艺的成型过程全部在基板上进行，消除了干法工艺多重对位要求，减少了设备与操作费用，而本发明的层间粘合是在固化时完成，故省去了干法工艺的叠层工序，而具有湿法工艺过程简单及低成本的优点；此外，本工艺中的每一层陶瓷涂层，均用辐射固化，这些固化后的涂层，不会受未经固化的新涂层的影响，从而消除了湿法工艺中新涂层中的溶剂扩散对下层生坯的影响；本发明的陶瓷与电极浆料，在固化时基本上没有体积的变化，能形成很平整的表面及均匀的内部结构，消除了干法工艺在叠压时电极间陶瓷层的“蠕动”。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
【附图说明】
图1为本发明的陶瓷浆料涂布在基板1，并经紫外线或电子束辐射固化后形成底部陶瓷涂层2时的示意图。
图2为图1在已固化的底部陶瓷涂层2上再涂布或印刷下层电极3时的示意图。
图3为图2在已固化的下层电极3上涂布或印刷电极连接点4时的示意图。
图4为图3在已固化的连接点4上涂布或印刷陶瓷浆料的示意图。
图5为在图4中第二陶瓷涂层5尚未固化前，其覆盖在连接点4上的陶瓷浆料部分被用刮刀6刮去的示意图。
图6为图5在已固化的第二陶瓷涂层5上涂布或印制上层电极7的示意图，其中上层电极7与连接点4相连，从而实现了上层电极7和下层电极3之间的电性连接。
【具体实施方式】
本发明制造多层电子陶瓷元器件的方法包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉末、金属粉末分别与可用紫外线或电子束固化的粘合剂混合而配制成陶瓷浆料及电极浆料；
(2)在基板1上涂布陶瓷浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射数秒钟，使其固化形成底部陶瓷涂层2，其具体情形如图1所示；
(3)在已固化的底部陶瓷涂层2上涂布或印刷电极浆料成一定形状；
(4)用紫外线或电子束对已涂布或印刷的电极浆料辐射数秒钟，使其固化形成下层电极3，(3)、(4)步骤的具体情形如图2所示；
(5)在已固化的下层电极3上，在需要实现连接的位置处涂布或印刷电极浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射固化形成电极连接点4，其具体情形如图3所示；
(6)涂布或印刷陶瓷浆料成一定形状，其具体情形如图4所示；
(7)用工具(如刮刀6)将电极连接点4顶部的涂布或印刷的陶瓷浆料部分刮去，直至露出该电极连接点4的顶表面，其具体情形如图5所示；
(8)将步骤(6)中涂布或印刷的陶瓷浆料除连接点外的部份覆盖，用紫外线或电子束辐射对其辐射数秒钟，使其固化形成第二陶瓷涂层5；
(9)依次重复(3)至(6)步骤，直至形成所需要的陶瓷涂层或电极层数，而制成多层电子陶瓷元器件的生坯，如图6所示，为重复第(3)、(4)步骤制作上层电极7的过程，即：在已固化的底部陶瓷涂层2上涂布或印刷电极浆料成一定形状接着，用紫外线或电子束对已涂布或印刷的电极浆料辐射数秒钟，使其固化形成上层电极7，其中，上层电极7与连接点4相连，从而实现了上层电极7和下层电极3之间的电性连接；
(10)将上述制作好的多层电子陶瓷元器件的生坯排胶、烧结，而制成多层电子陶瓷元器件的核心组件，再经上端或引线等工序，制成成品。
本实施例中，所有涂层均可用狭缝涂布器(Slot die coater)或刮刀涂布器(Doctor blade coater)来涂布。所用的浆料为多种可辐射固化的有机物与陶瓷粉末的混合物。且每一层涂层既可以是一次涂布形成，也可以经过多层涂布形成。各电极，连接点，以及陶瓷涂层的制作均可根据设计要求，用单次或多次重复的方式完成。
此外，本发明所使用的粘合剂可为可辐射固化的单体、多聚体、光引发剂，及其他可调节浆料物理或化学性能的分散剂、流平剂、稳定剂，及增塑剂等。
在陶瓷浆料中，可用紫外线或电子束固化的粘合剂占总重的5％至60％。金属浆料中可用紫外线或电子束固化的粘合剂占总重的3％至40％。
上述可用紫外线或电子束固化的粘合剂中，可包括，但不局限于，环氧丙烯酸酯，聚酯丙烯酸酯，尿烷丙烯酸酯及其单体或多聚体，等等。
本发明中的一个陶瓷浆料的一种配方实例可为：电子陶瓷粉末(74.07％)，聚酯丙烯酸多聚体(2.59％)，改性多聚丙烯酸酯(2.59％)，单官能度尿烷丙烯酸酯(9.85％)，丙烯酸酯(9.33％)，流动改善剂(1.04％)，及光引发剂(其余部份)。
本发明中一个电极浆料的一种配方实例可为：银粉(80％)，聚酯丙烯酸酯(19.2％)，光引发剂(0.8％)。
所用的紫外线源的波长为300至450nm。
所用的电子束源的能量为100KeV至300KeV，剂量为5至20Mrad。
此外，本发明在对电极浆料、陶瓷浆料、电极连接点用紫外线或电子束辐射固化时，可对不需要固化的位置处的浆料加上掩模，以达到只固化部分浆料的目的。其余未固化的浆料则可以洗去。
采用本发明制造的多层电子陶瓷元器件包括，但不局限于电阻器、电容器、电感器、熔断保护器，以及压敏电阻等。
综上所述，本发明采用辐射引发粘合剂聚合固化，而不采用干燥工艺来固化陶瓷或电极层，减少了能源消耗和溶剂对环境的污染。由于辐射固化所需时间仅为几秒钟，而干燥则需要几分钟或更长时间，本发明的工艺亦减少了操作时间。此外，本工艺的成型过程全部在基板上进行，消除了干法工艺多重对位要求，从而减少了设备与操作费用。本发明的层间粘合是在固化时完成，故省去了干法工艺的叠层工序，而具有湿法工艺过程简单及低成本的优点。本工艺中的每一层陶瓷涂层，均用辐射固化，这些固化后的涂层，不会受未经固化的新涂层的影响，从而消除了湿法工艺中新涂层中的溶剂扩散对下层生坯的影响。本发明的陶瓷与电极浆料，在固化时基本上没有体积的变化，能形成很平整的表明及均匀的内部结构，消除了干法工艺在叠压时电极间陶瓷层的蠕动。本发明在用于制作具有层间电极连通的多层电子陶瓷元器件时，是利用辐射固化的连接点。这些连接点在固化后具有较高的机械强度。在被上层陶瓷涂层覆盖后，可用刮刀将连接点顶部的涂层刮去，从而留下可靠的连接表面。这样就无需采用干法工艺中复杂的打孔及灌孔等工序来制造电极层间连接点。
Claims (8)
1、一种制造多层电子陶瓷元器件的方法，尤其是指一种用紫外线或电子束来固化成型陶瓷与导电浆料的制造多层电子陶瓷元器件的方法，包括如下步骤：
(1)将陶瓷粉末、金属粉末分别与粘合剂混合而配制成陶瓷浆料及电极浆料；
其特征在于：所述粘合剂为可用紫外线或电子束辐射固化的粘合剂，且在步骤(1)后，还包括如下步骤：
(2)在基板上涂布陶瓷浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射使其固化形成陶瓷涂层；
(3)在已固化的陶瓷涂层上涂布或印刷电极浆料成一定形状；
(4)用紫外线或电子束辐射使涂布或印刷的电极浆料固化形成电极；
(5)涂布陶瓷浆料成一定形状；
(6)用紫外线或电子束辐射使涂布的陶瓷浆料固化形成陶瓷涂层；
(7)继续执行(3)至(6)步骤直至形成所需要的陶瓷涂层或电极层数，而制成多层电子陶瓷元器件的生坯；
(8)将上述多层电子陶瓷元器件的生坯排胶、烧结，而制成多层电子陶瓷元器件的核心组件，再经上端或引线等工序，制成成品。
2、根据权利要求1所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：在(4)、(5)步骤之间，还可加入以下步骤：
在已固化的电极上，在需要实现连接的位置处涂布或印刷电极浆料成一定形状，并用紫外线或电子束辐射固化形成电极连接点，而在此步骤实施后，接着实施步骤(5)，之后用工具(如刮刀)将连接点顶部的陶瓷浆料刮去，而露出该电极连接点的顶表面，其后再实施步骤(6)。
3、根据权利要求1或2所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：陶瓷浆料中的可用紫外线或电子束固化的粘合剂占总重的5％至60％，金属浆料中的可用紫外线或电子束固化的粘合剂占总重的3％-40％。
4、根据权利要求3所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：所述粘合剂为可以用紫外线或电子束照射，在加入引发剂或不加入引发剂的条件下聚合固化的有机物，其组成成份包括但不限于环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、尿烷丙烯酸酯，及其单体或多聚体的一种或多种。
5、根据权利要求4所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：粘合剂中渗有其他用于改善浆料性能的助剂，如增塑剂，分散剂，流平剂及稳定剂等。
6、根据权利要求2所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：在用工具(如刮刀)将连接点顶部的陶瓷浆料刮去后而接着对陶瓷浆料进行辐射固化，是将除连接点外的部份覆盖而加以固化的。
7、根据权利要求1所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：所述多层电子陶瓷元器件包括，但不局限于电阻器，电容器，电感器，熔断保护器，压敏电阻等。
8、根据权利要求1所述的制造多层电子陶瓷元器件的方法，其特征在于：所用的紫外线源的波长为300至450nm，所用的电子束源的能量为100KeV至300KeV，剂量为5至20Mrad。
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