CN1369098A - 固态电容器的制造 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态电容器领域,并且特别与用于制造固态电容器的大规模生产方法相关。根据本发明的一个方面,提供了一种制造多个固态电容器的方法包括:制备衬底层;在衬底层上表面上形成多个由多孔经烧结阀作用材料组成的直立基体;在基体多孔上形成并延伸绝缘层;在绝缘层上形成导电阴极层;并且在每个基体的顶部形成阴极端装置;和将经处理的衬底分隔来形成多个单独的电容器基体,在每个基体中,衬底的一部分形成阳极端,多孔基体是阳极端,在阳极端顶部具有阴极端装置,其中,直立多孔基体的特征是:当混合物处于粗加工状态时,将阀作用金属粉末/粘合剂的混合物压制在所述衬底上并形成所需基体形状,并且此后,对基体进行烧结来形成。
Description
本发明是有关固态电容器，并且特别涉及用于制造固态电容器的大规模生产方法。
一种用于固态钽电容器的大规模生产方法在美国专利说明号5,357,399(发明人：Ian Salisbury)中有描述。该方法包括：配制固态钽基底薄板，在衬底上形成烧结、高度多孔的钽层，用垂直沟道图将多孔钽层分割来制造一系列直立多孔钽直线基体排列，对基体阳极氧化来在其上形成介电层，将基体浸入锰硝酸盐，并通过加热将经处理的溶液转化为二氧化锰，因而形成阴极层，涂覆相应的碳导电层并随后在每个衬底的顶端镀银，将由固体金属薄片组成的盖子焊接在镀银层上；在受到衬底和盖子限制的基体之间注入绝缘树脂材料；并且在垂直于薄片平面的方向上，沿每个沟道的中心线来切割组件，因而制造出多个电容，在电容器中，阳极端由衬底材料组成，阴极端由盖子材料组成，并且电容器基体由涂覆的多孔钽基体组成。
我们正在申请PCT/GB99/03566(对应于英国申请号9916047.5)，描述了对Salisbury方法的修改，其中取消了盖层。在根据本方法制造的电容器中，制出的每个电容器的容积效率都已最大化。
本发明的一个目标是提供一种制造固态电容器的改进方法，特别是提供一种更简单并能减少材料浪费的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造多个固态电容器的方法包括：
配制基底层；
在基底层的表面上形成多个由多孔烧结阀作用材料组成的直立基体；
在基体孔隙上形成并延伸的绝缘层；
在绝缘层上形成导电阴极层；
并且在每个基体的顶端形成阴极终端装置；
并且将经处理的衬底分离开来形成多个单独的电容器基体，在每个基体中衬底的一部分形成了阳极端，多孔基体是一个在其顶部上配置了阴极终端装置的阳极端，制成的直立多孔基体的特征是(i)配制阀作用材料粉末和粘合剂的混合物，(ii)当混合物处于粗加工状态时，在衬底上将该混合物制成多个基体，并且(iii)而后烧结这些基体。
粗加工形成可能包括压模工艺，例如通过使用冲模和冲头组件，其中形成的冲模具有与所要求的基体形状和分布相对应的多个孔，以及使用多个冲头对放置在衬底上的孔中的粗加工混合物进行加压。压模处理可以重复进行来在每个单独基体中都制成粗加工材料层。
在较佳实施例中，阀作用材料是一种金属，主要是钽。然而，在本发明的处理中也可以使用其他阀作用金属和材料。例如，适合的材料有铌、钼、硅、铝、钛、钨、锌以及它们的合金，以及其他阀作用氧化材料。适合金属的最佳实例是铌和钽。当阀作用金属是钽时，衬底就最好是固体钽基片，以便确保多孔金属的物理和化学协调性。通常，衬底必须与阀作用材料一致。典型的衬底材料是由固体阀作用材料组成。
在更好等级的粗加工粉末/粘合剂混合物在衬底上冲压形成直立基体之前，可能必须在衬底上涂覆粗结晶粉末的籽晶层。粗结晶粉末提供了确保在烧结多孔基体和衬底之间产生牢固连接的机械键控。牢固连接对于确保在制造处理的随后步骤期间不会发生多孔基体与衬底相分离是十分重要的。
根据本发明的另一方面，籽晶层最好仅放置在衬底上将要固定多孔基体的位置，一种制造多个固态电容器的方法包括：配制衬底；在衬底层表面上形成多个直立由多孔烧结阀作用材料组成的基体；在基体孔隙上形成并延伸的绝缘层；在绝缘层上形成导电阴极层；并且在每个基体的顶部形成阴极终端装置；以及将经处理的衬底分离来形成多个单独的电容器基体，在每个基体中衬底的一部分形成了阳极端，多孔基体是一个在其顶部上配置了阴极终端装置的阳极端，其中在衬底上的阀作用基体形成之前，在衬底上涂覆了相对较粗结晶的籽晶层材料，其特征是该籽晶层是作为在衬底上形成的一系列籽晶种子排列而配制。
籽晶种子最好由与直立基体相同的阀作用材料组成。晶种可以通过应用具有期望种子分布的丝网印刷层来形成。或者可以使用模绘版来涂覆晶种的合适图形。本发明的方法并不局限于这两种办法，并且还包括其他应用合适的籽晶材料种子排列的方法。涂覆籽晶种子排列的一个优势是绕过了均匀籽晶层的常规机械加工。另外，减少了籽晶层材料的浪费，因而，具有随之而来的经济和环境利益。
在较佳实施例中，晶种是采用丝网印刷工艺将相对较粗结晶的阀作用材料粉末糊剂按要求的图案涂覆在衬底上。
在敷设后，随后，通常将晶种烧结固定在籽晶种子图案中适当的位置。
对晶种排列的涂覆并没有严格局限在必须要以本发明的方法来进行，并且在替代实施例中，可以在衬底上涂覆均匀层，来用烧结方法固定，并且随后，就用机械加工来选择性去除籽晶层以产生籽晶种子要求的图案。
阴极终端装置可以包括涂覆在直立基体顶部上的一层或更多导电层。阴极终端装置可以包括涂覆在每个直立基体上的金属板部分。
在一个实施例中，终端装置包括固体阀作用金属盖，该盖是加在夹于盖和衬底之间直立基体上。盖最好沿衬底分割来形成单独的电容器基体，在每个基体中，该盖部分都是阴极端。这种方法在美国专利号5,357,399中进行了充分的描述，并且在此不再做进一步的描述。
在另一个实施例中，取消了盖，并且在直立基体的顶部区域涂覆了导电材料终端层以形成每个电容器的阴极端。
在衬底上的直立电容器之间的空间最好用绝缘材料进行填充。在较佳实施例中，该空间是用绝缘塑料树脂材料，例如环氧树脂，进行填充。在这种方式中，当分割衬底时，在每个电容器基体周围都可能会留下保护树脂体壳。
根据本发明的更多方面，提供了一种通过在此前所揭示的任何方法作制造的电容器。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括有通过在此前所揭示的任何方法作所制造的电容器的电子或电设备。
介电层可以通过作阳极化电解处理来形成，在处理中，在多孔烧结阳极基体的表面上仔细形成氧化膜。适合的方法对于本领域的熟练技术人员来说已熟知。
阴极层可以通过在阴极层原始溶液例如锰硝酸盐中浸入阳极基体并随后通过加热阳极基体产生二氧化锰阴极层的方法来形成。为了能逐渐形成阴极层所需的深度和整体性，可能要重复执行浸入和加热步骤。
通常，在浸入处理期间，阴极层不仅会在阳极基体上形成，而且也会在衬底间暴露的钽衬底表面上形成。为了能使每个阴极端与其各阳极端绝缘，可以采用其他的步骤来从每个阳极基体周围的衬底上去除任何阴极层(和介电层)。这种处理可能包括其他的机械加工处理，其中，通过去除衬底的表面层在每个阳极基体之间形成绝缘沟道。例如，在已经对垂直行(orthogonal row)机械加工来形成直线阳极基体的地方，可能沿在阳极基体间的行和列的中心线绝缘沟道进行机械加工。在这种方法中，在每个电容阳极基体周边形成梯阶(step)，该梯阶具有未敷层表面，因而，使阴极层与暴露的阳极端相互绝缘。
通过阴极层的应用，阳极基体变成包括有由互连基质组成的阳极部分的电容性基体，该互连基质是金属粉末；金属氧化物的介电绝缘层；以及掺杂氧化导电阴极。
密封树脂可以依据特定树脂的适用性和流动性在加压条件下或简单的浸入方法来应用。一旦树脂凝固，该树脂和衬底就可以进行机械加工，不然分割成单独邻近的电容基体。该封装材料可以是塑料树脂，例如环氧树脂。
下面是仅通过实例并结合使本发明得以实现的一种方法的附图进行的说明。
在图中：
图1和3到5是根据本发明一个实施例的处理期间，衬底的截面图。
图2是在处理中的粗加工形成步骤后的衬底的俯视图。
图6示出从根据本发明的方法所制造的电容器一侧观察的截面图。
整个固态钽基片的横截面如图1中的10所示出。在基片的上表面上烧结有多个籽晶种子12。籽晶种子包括一层粗结晶电容等级钽粉末12的薄层。最好采用丝网印刷方法将粗结晶粉末以直线晶种的垂直图案(或“方格图案”)来涂覆。随后将晶种烧结固定在衬底上。随后将粗加工(即未经烧结)细结晶电容等级钽粉末的混合物压在衬底的上表面上来形成粗加工层13。用冲头和冲模相结合的压模使流动的粗加工混合物成形来形成直立直线基体16，在图2中示出。
压模如图7中所示。压模包括底模40和一系列冲头41。形成的模子具有一组矩形截面孔42。它的排列对应于衬底上阳极基体的要求分布的行和列。该模孔用粗加工钽混合物44进行填充。随后，衬底10放置在模顶部，籽晶种子(未示出)与模孔对准。随后，如图7B中所示，对顶部图案43施加压力压在衬底上。经压制的组件压在冲头上。冲头对每个孔中的粗加工混合物的装料进行加压，并且将每个装料附着在衬底上。机械限位(未示出)用来限制模的移动，并且防止粗加工装料溢出密封。随后，将该图案释放并从模分离。在图案释放时，一连串支撑模重量的轻弹簧45将模和衬底从冲头上推开，留下一组附着在衬底上的粗加工矩形截面基体，如图2中所示。压模过程可以重复进行通过堆积形成粗加工材料层来制造所需高度的粗加工基体。
粗加工基体经烧结来将细结晶粉末熔入每个基体中的完整多孔网络。该烧结在1600摄氏度左右进行(最佳的温度取决于结晶的大小以及烧结处理的持续时间)。烧结处理也将多孔基体与粗糙籽晶层12熔合。
形成的基体如图2所示定义了横向沟道14和纵向沟道15的垂直格栅。
多孔基体形成电容器的阳极部分。通过当将D.C.电源正极端与衬底相连同时，在电解液(例如0.1％磷酸溶液)中作阳极化处理可以在阳极基体上涂覆绝缘介电层(未示出)。这就导致在基体金属多孔表面和暴露衬底上形成薄钽五氧化物层。
随后，通过熟知的锰(manganization)处理在阳极基体上形成阴极层(未示出)。在这种处理中，经阳极化的阳极基体16被浸入在锰硝酸盐溶液中来去除在每个基体上的湿溶液涂层，并覆盖其内部多孔。衬底在潮湿空气中加热来将硝酸盐涂层转化为二氧化物。为堆积所需粘附阴极层，该浸入和加热工序可以重复20次或更多次。
为了确保在每个阳极基体衬底表面周边上形成的任何介电层或阴极层都绝缘，就进行进一步的机械步骤，其中沟道的直角图案沿分隔每个阳极基体的中心线在衬底表面分割。
一旦完成锰化，通过将经锰化的基体浸入在液态碳糊液中，就将传导碳的中间过渡层27涂覆在经锰化的基体上。在碳层固定后，通过将被碳涂覆的基体浸入在液态银糊中，就将银中间层涂覆在碳层上。为了确保银不直接与不相容的氧化层接触，银层不允许穿过碳层27。随后，允许银层凝固为固体。
随后，用PTFE层5作为脱模剂将钽的固体片9涂覆在其一个表面上。随后在PTFE暴露的表面上施加银糊均匀层。随后，将片从银侧向下放置到基体16的顶端上来形成如图4所示的盖。
为了迫使经固定的糊22流入与中间过渡银层21接触的紧密粘合剂中，对片的顶侧施加向下的压力。另外，通过让糊流入在每个电容器侧壁下的小范围内但不超出碳层，就进一步加强了接触。
通过适当的盖，在电容基体之间的沟道14、15，如图4所示，用液态环氧树脂20进行填充。树脂包围了每个电容基体的侧面，直到盖糊22水平处。沟道在树脂压力下通过注入进行填充，因而，确保实现对由沟道所定义的空间的完全填充。由钽盖9提供的结构上的限制保持了在封装处理期间中间过渡层27、21和22的完整性。
当树脂20已经固化，就去除盖片。PTFE层5很容易地从固定银层22上分离，留下在固定的银层中被涂覆的每个基体上部端面区域。盖9的存在确保了在去除盖后，形成平坦顶面层22，如图5中所示。
现在，为了将每个电容器基体同其邻近基体分隔，可以将薄片沿每个沟道14、15的中心线(在图5中示出的虚线)进行切片。所产生的单独电容器结构在图6中示出。每个电容器由阳极端部分23组成，该端部分由衬底材料组成。从衬底上直立的是电容器基体16，该基体用环氧树脂侧壁24、25包裹。在衬底中梯阶30、31对应于在原始衬底薄片中形成的机械绝缘沟道32。该梯阶不具有经锰化的敷层以及其他杂质，并且因而，确保了暴露阳极端与阴极端的绝缘。每个电容器的顶端区域敷层有碳糊27层、银糊21层和形成部件阴极端部分的银糊添加层。
最终处理阶段是五面(five-sided)端处理。该处理在电子工业中为人们所熟知，涉及到形成电容器外部端的端盖28、29的形成。终端层金属可以由银、镍和锡的分离层组成(最好以这种次序)，这些都是使用的金属，通过将电容器端点经焊接，使得电容器可以接触或与电器或电子电路的其他部件形成电气连接。
本发明是对原先熟知的处理作了极好的改进，在处理的经济效益方面具有显著提高。消除了已知处理的制粉步骤以及它们的不可避免的浪费钽粉末的生产。这通过消除对贵重制粉设备的需求来简化生产机器。当粗加工时，形成粉末/粘合剂混合物代替了原来磨掉经烧结多孔层的方法来形成基体。在这种情况下，就很容易对过量的粗加工混合物进行重利用和循环利用。
Claims (8)
1、一种制造多个固态电容器的方法，包括：
制备衬底层；
在所述衬底层表面上形成多个由多孔经烧结阀作用材料组成的直立基体；
在所述基体多孔上形成并在其上延伸绝缘层；
在所述绝缘层上形成导电阴极层；
在每个基体的顶部形成阴极端装置；和
分割经处理的所述衬底，形成多个单独的电容器基体，在每个所述基体中，衬底部分形成阳极端，多孔基体是阳极端，在所述阳极端顶部配置有阴极端装置，其特征在于，所述直立多孔基体是通过下述方法形成(i)配制阀作用材料粉末和粘合剂的混合物(ii)当混合物处于粗加工状态时，在所述衬底上将所述混合物制成多个基体，以及(iii)此后，对所述基体进行烧结，来形成。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔基体通过在所述衬底上压制粗加工混合物来构成。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压模成形包括多模和冲头组件的使用以在所述衬底上形成一种粗加工基体排列。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，形成具有一组对应于所需基体截面和分布的孔排列的模，并且能将每个孔中的粗加工混合物填充压入所述衬底的多个冲头。
5、如前面任意权利要求所述的方法，其特征在于，籽晶种子排列，每个晶种包括相对较粗结晶的经烧结阀作用材料的粉末，在所述衬底上以对应于粗加工基体的预定位置的图案来形成，并且所述粗加工基体在所述籽晶种子上形成，因而，增强了在每个基体与所述衬底之间的结合。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用相对较粗粉末糊丝网印刷方法以对应于所述排列的图案来涂覆所述籽晶种子，并且对所述糊进行烧结来将衬底上的籽晶固定在适当的位置。
7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过将相对较粗糙的粉末糊层贴在对应于所述排列的模板上，来涂覆所述籽晶种子，并且对所述糊进行烧结来将衬底上的籽晶固定在适当的位置。
8、一种基本上如前所述结合附图进行了描述的方法。
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