CN1529891A - 固体电子元件的制造 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体元件制造领域，在优选实施例中，该固体元件为电容器。该方法特别涉及用于制造诸如电容器的固体元件的批量生产方法。根据本发明的一个方面，提供一种制造多个固体电子元件的方法，包括：(i)制备第一衬底，第一衬底设置有多个形成于其表面上的第一固体电子元件单元；(ii)制备第二衬底，第二衬底设置有多个形成于其表面上的第二固体电子元件单元；(iii)对准第一和第二衬底，使得各自的第一和第二元件单元每一个相互对准；(iv)将第一和第二衬底固定在一起，使得第一和第二单元工作性地彼此连接，由此形成衬底夹层；(v)分割衬底夹层，从而形成多个单个的元件，每个元件包括工作性地连接至第二元件单元的第一元件单元。尽管此列表不是穷举的且其它合适的元件也可使用本法制造，但适合的元件类型为电容器、二极管和电阻器。
Description
技术领域
本发明涉及固体元件(solid state component)制造领域，并且在优选实施例中，该固体元件为电容器。该方法特别涉及用于制造诸如电容器的固体元件的批量生产方法。
背景技术
在美国专利说明书第5,357,399号(发明人为Ian Salisbury)中介绍了固体钽电容器的批量制造方法。此方法包括设置固体钽衬底晶片；在衬底上形成烧结的、高度多孔的钽层；按正交的沟槽图案切割多孔钽层从而产生直立的多孔钽直线主体的阵列；阳极氧化立方体从而在主体上产生介电层；将主体浸入硝酸锰溶液中并加热，使涂覆上的溶液转化为二氧化锰，从而形成阴极层；在每个主体的顶端上涂覆各自的碳导电层并且随后是银；在银层上结合由固体金属晶片构成的盖；向由衬底和盖限制的主体之间的沟槽中注入绝缘树脂材料；以及，在垂直于晶片平面的方向上并沿着每条沟槽的中心线切开该组合件，以产生多个电容器，其阳极端由衬底材料构成，阴极端由盖材料组成，并且电容体由带涂层的多孔钽主体构成。
随着电子产品，特别是移动电话，以及多种其它产品的小型化，始终存在着改善电子元件，并且特别是固体电容器的容积效率的压力。上述的Salisbury法提供了制造多个固体电容器的高度有效的方法。
PCT/GB99/03566公开了一种增大主要根据Salisbury法制造的固体电容器的容积效率的方法。该工艺改善包括省略了盖层，并在每个电容器阳极体的暴露表面上直接形成阴极端。
PCT/GB00/01263公开了一种形成多个电容器的方法，其每个电容器在公共面上都具有电极接触，由此允许电容器放置来覆盖各个印刷电路板(PCB)接触，减少元件在PCB上的占用面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善的制造固体电子元件的方法，特别是一种允许生产具有减小的占用面积(footprint)的元件。优选实施例涉及具有减小的占用面积的电容器的生产。
根据本发明的一个方面，提供一种制造多个固体电子元件的方法，包括：
(i)设置第一衬底，第一衬底设置有多个形成于其表面上的第一固体电子元件单元(solid state electronic component element)；
(ii)设置第二衬底，第二衬底设置有多个形成于其表面上的第二固体电子元件单元；
(iii)对准第一和第二衬底，使得各自的第一和第二元件单元每一个相互对准；
(iv)将第一和第二衬底固定在一起，使得第一和第二单元工作性地(operatively)彼此连接，由此形成衬底夹层(sandwich)；以及
(v)分割衬底夹层，从而形成多个单个的元件，每个元件包括工作地连接至第二元件单元的第一元件单元。
尽管以下列表不是穷尽的且其它合适的元件也可使用本方法制造，但适合的元件类型为电容器、二极管和电阻器。
第一元件单元和第二元件单元可以具有相同的电功能。例如，元件单元可都为电容器，或都为电阻器。在特定的实施例中，在一侧的第一单元与另一侧的第二单元之间，各个单元可具有不同的性能特征。因此，例如，可以将具有不同电容的电容器结合在最终的元件中。
或者，而根据本发明的另一方面，第一和第二元件单元分别具有不同的电功能。按此方式，例如，元件可形成为包括与电阻器连接的电容器。
这种前述的通用方法允许在单个元件中形成诸如电容器对的双单元元件。同两个单个的元件相比，将一对电子单元集成入单个元件中减小了占用面积，并且减小了将电容器集成入电路中(通常是在PCB上)所需的焊接步骤的数目。另一个重要的优点在于，由于以一个元件取代两个元件，因此减少了用于PCB的组装时间和组装步骤数目。
根据本发明的优选方面，提供一种制造多个固体电容元件的方法，包括：
(a)设置第一衬底层；
(b)在第一衬底层的一个表面上形成由多孔烧结整流作用材料(valve-action material)构成的多个第一直立主体(upstanding body)；
(c)设置第二衬底层；
(d)在第二衬底层的一个表面上形成多个由多孔烧结整流作用材料构成的第二直立主体；
(e)在第一和第二主体的孔隙上并延伸透过孔隙形成绝缘层；
(f)在绝缘层上形成导电阴极层；
(g)对准第一和第二衬底，使得主体相互对准；
(h)将第一和第二衬底固定在一起，从而形成衬底夹层，其中第一和第二主体工作地连接起来；
(i)将多孔主体封装在电绝缘材料中；以及
(j)将衬底夹层分割为多个单个的电容元件，每个电容元件包括两个电容器，第一个与第一多孔主体相对应，而第二个与第二多孔主体相对应。
根据本发明的具体实施例，在步骤(g)中，衬底可面对面地对齐，使得其各自的第一和第二直立主体彼此面对，而步骤(h)包括电连接直立主体的对准的自由端，从而形成夹层构造，其中第一和第二衬底层为外层，通过分割衬底夹层，形成了多个元件对，每一个元件对具有与外面的第一和第二衬底相对应的第一和第二阳极接线端，以及与主体自由端之间的电连接相对应的阴极区域。
在步骤(g)中，可以在第一与第二主体各自的自由端之间插入导电材料板，使得通过该板材料形成电连接。因此，步骤(h)中的分割还分割了该板材料，且通过分割而在每个元件中形成的板材料的暴露表面部分为每个元件提供了阴极接线端。通过提供板材料接线端位置，可以将器件构造为并联对，其中阴极接线端提供了负电接触，而两个阳极接线端电连接在一起从而提供了正电接触位置。两个阳极接线端的连接通常利用电路板接线端上的印刷电路线。还可以设置阵列对，其中阳极接线端提供了两个不同的正接触位置，而阴极接线端提供了一负接触位置。还可以通过在电路中连接各个阳极接线端而不连接阴极接线端来设置串联对。
根据本发明的另一实施例，步骤(g)借助涂覆在第一与第二直立主体的自由端之间的分立导电粘结垫进行。因此，步骤(h)中的封装工序还封装了电连接区域，由此遮蔽了每个元件中的阴极区域，并且在没有阴极接线端的情况下允许元件的形成。上述实施例适用于生产串联对电容器元件。在这些元件中，无需负接线端。因此，可以略去第一实施例中用于形成阴极接线端的板。方便地，使用导电粘胶等电连接直立主体的自由端。封闭连接区域，从而防止与阴极接线端形成意外接触。此实施例制造简单，但明显缺乏根据第一实施例制造的元件的多功能性。
根据本发明的又一实施例，在步骤(g)中，衬底可以背对背地对准，使得其各自的第一和第二直立主体彼此背离，而步骤(h)包括将衬底的背面电连接起来，从而形成夹层构造，其中第一和第二衬底层为内层，而多孔主体为外层，通过分割衬底夹层，形成了多个元件对，每一个元件对具有与内部的第一和第二衬底相对应的阳极接线端区域，以及与元件各自的第一和第二端区域相对应的第一和第二阴极接线端区域。
在优选实施例中，用于形成电容器的整流作用材料为金属，并且特别是钽。然而，也可以在本发明的工艺中使用其它整流作用材料和金属。例如，铌、钼、硅、铝、钛、钨、锆及其合金。
当整流作用金属为钽时，衬底优选为固体钽晶片，由此确保与多孔金属的物理和化学相容性。
多孔主体可以通过粉末冶金途径形成。通常，粗等级粉末的籽层必须被覆在衬底上，并且在将精细等级的生料粉末(green powder)/粘合剂混合物压在衬底上以前将其烧结。粗等级粉末提供了确保在烧结的多孔主体与衬底之间产生牢固连接的机械键合(mechanical keying)。牢固连接是确保制造工艺的后续步骤中不发生多孔主体从衬底上分开所必需的。生料粉末/粘合剂混合物的均匀层可涂覆在衬底上，通过烧结固定，并随后被机械加工以在衬底上形成所需的主体阵列。形成主体的可选方法在PCT申请GB00/03058中介绍，其中使用压模/预压工艺(die/pressing process)在衬底上产生生料主体阵列，该阵列被烧结以形成最终的多孔主体。
介电层可通过电解阳极氧化工艺形成，其中在多孔烧结阳极主体的表面上小心地建立氧化膜。合适的方法为本领域技术人员所熟知。
阴极层可通过将直立主体浸入诸如硝酸锰的阴极层前驱体溶液中，随后加热以产生二氧化锰阴极层而形成。可进行重复的浸入和加热步骤，从而逐步地建立起所需深度和完整的阴极层。
通常，在浸入工艺期间，阴极层将不仅建立在阳极主体上，还将建立在主体之间暴露的钽衬底表面上。为了使每个阴极接线端与其各自的阳极接线端隔开，可以执行又一个工艺步骤，从而从阳极主体周围的衬底上去除任何阴极层(以及介电层)。此工艺可包括又一次机械加工工艺，其中在每个阳极主体之间通过去除衬底的表面层形成隔离沟槽。例如，在加工出正交行以形成直线阳极主体的情况下，可沿着阳极主体之间的行和列的中心线加工出隔离沟槽。按此方式，在每个电容器阳极主体周围形成台阶，该台阶具有未涂覆表面，由此将阴极层与暴露的阳极接线端隔离开。然后，可以执行整形工艺(reformation process)，其中以绝缘氧化层形成新暴露表面。另一种隔离工艺在PCT申请GB00/03558中介绍，其中机械加工由抗蚀剂层的使用来取代，以避免不期望的污染。
密封工艺可通过将液体树脂渗入直立主体之间的空间来进行。在一个优选实施例中，该空间以绝缘塑料树脂材料填充，诸如环氧树脂。按此方式，在划分衬底时，每个电容器主体可以留有围绕其多孔主体部分的保护树脂壳。依据具体树脂的适用性和流动性，密封树脂可在压力下或通过简单的浸入来使用。一旦树脂凝固，可以机械加工树脂和衬底，或相反切割以分开相邻的电容器主体。密封材料可以为塑料树脂，诸如环氧树脂。
在期望具有阴极接线端的情况下，接线端可以通过向利用分割工艺设置在每个元件上的暴露板的条带涂覆一个或更多个导电层来形成。需要时，可以被覆适当的与焊料相配的金属层涂层，以便于接线端处的焊接。
衬底夹层的分割通常通过垂直于衬底平面、沿着相邻主体部分之间的“道路”、然后穿过密封材料的机械加工来进行。
根据本发明的又一方面，提供一种通过前述任何方法制造的电容器。
根据本发明的又一方面，提供一种包括通过前述任何方法制造的电容器的电子或电气装置。
附图说明
下面，是仅以示例的方式并参照附图对实施本发明的一种方法的介绍。
附图中：
图1、3和4是根据本发明工艺进行加工的过程中衬底的截面图；
图2为工艺中机械加工步骤后，由衬底上方观察的视图；
图5为穿过两个衬底的截面图，该两个衬底已根据本发明第一实施例加工过；
图6为穿过衬底的截面图，该衬底已根据第一实施例加工过；
图7为穿过衬底夹层的截面图，该衬底夹层已根据第一实施例处理过；
图8为穿过根据第一实施例制造的单个电容器对元件的截面图；
图9为穿过两个衬底的截面图，该两个衬底已根据本发明第二实施例加工过；
图10为穿过衬底夹层的截面图，该衬底夹层已根据本发明第二实施例加工过；
图11为穿过根据本发明第二实施例制造的电容器对元件的截面图；
图12为集成入电路中作为串联对的根据第一和第二实施例的元件的平面图，其还示出了串联对的示意性电路图表示；
图13为集成入电路中作为并联对的根据本发明第二实施例的元件的平面图，其还示出了并联对的示意性电路图表示；以及
图14为集成入电路中作为阵列对的根据本发明第二实施例的元件的平面图，其还示出了阵列对的示意性电路图表示。
具体实施方式
穿过固体钽圆形晶片的横截面在图1中示为10(诸如方形、矩形等的其它形状也是可以的)。晶片上表面在其上烧结有粗颗粒电容器级钽粉末的分散体(dispersion)12。随后，在衬底上表面上压上细颗粒电容器级钽粉末/粘接剂的生料(green)(即未烧结的)混合物，从而形成生坯层(green layer)13。
烧结生坯层，将细颗粒粉末熔合成整体多孔网络(integral porousnetwork)。烧结在大约1600摄氏度下进行(优选温度依赖于颗粒尺寸和烧结工艺的持续时间)。烧结工艺还使多孔层熔合入粗籽层12。
然后，对衬底组合件进行机械加工，从而产生横向沟槽14与纵向沟槽15的正交格栅，如图2所示。沟槽使用移动的旋转切轮打磨出。切割沟槽至刚好超出多孔钽层的水平面的深度，使得切口侵入衬底内，如图3所示。
机械加工工序在衬底上产生了矩形(orthogonal)截面主体16的阵列。多孔主体形成电容器的阳极部分。通过在(例如0.1％磷酸溶液的)电解槽内进行阳极氧化，同时将DC电源的正极接线端连接至衬底，向阳极主体涂覆绝缘介电层(未示出)。这导致了主体的金属多孔表面以及暴露的衬底上薄的五氧化二钽(tantalum pentoxide)层的形成。
然后，通过熟知的锰化工艺(manganization process)，在阳极主体上形成阴极层(未示出)。在此工艺中，将阳极氧化的阳极主体16浸入硝酸锰溶液中，从而在每个主体上留下湿溶液涂层，并覆盖其内部的孔。在湿润空气中加热衬底，从而将硝酸盐涂层转化为二氧化物。为了建立所需的一致的阴极层，浸入和加热循环可重复多至20次或更多。
接着，通过浸入液体碳浆(liquid carbon paste)槽中，为锰化的主体涂覆以导电碳中间层(未示出)。凝固碳浆。碳层凝固后，通过将碳涂覆过的主体浸入液体银浆中，在碳层上涂覆又一层银中间层27(图3)。不允许银层超过下面的碳层，从而确保银不直接与不相容的氧化物下层接触。
在上述工艺中，锰化层、碳浆或银浆的偏离部分会污染衬底沟槽15和14的表面部分。这些导电部分可导致最终的电容器中阳极与阴极之间的短路，因此必须被去除。为了实现这一目的，再一次执行机械加工步骤，其中沿着分开每个阳极主体的中心线，在衬底表面切出正交图案的沟槽32(如图4所示)。切割进行至一深度，在该深度，偏离的锰化层(等)以及连同的介电绝缘氧化物下层被去除。因此，显露出衬底晶片的裸露的钽。此新鲜表面重新以介电层“整形”，以在其上提供保护绝缘层。整形工艺如前述用于初始介电层那般地进行。
与前述工序并列地，如上地建立第二个同样的衬底110。此衬底在图5中示出，其中如晶片10那样编号，不同之处在于加上了100(即，第二晶片的附图标记＝n+100)。
到达此阶段以后，下面将介绍本发明工艺的两种可选实施例，其中可制造电容器元件。
第一实施例
然后，将第二衬底110在第一衬底上方如镜像那样对准，且主体16、116彼此面对。在第一衬底10上的每个主体的顶面上涂覆银浆粘接层40。每个相应的主体16、116的两个相对的顶面结合在一起(如图5中箭头A所示)。图6示出了相接触的两个衬底。粘接层40形成了界面，其提供了各个第一与第二主体对16、116之间的电接触。使粘接剂于一压力和温度下凝固(set)，从而确保良好结合，并完成粘接剂的固化。
然后进行密封工艺。将环氧树脂溶液41(图7中)渗透至形成在主体对之间的沟槽15、115、14中。为了占据所有可用的空间，在压力下将树脂挤入。使树脂硬化，以形成主体对16、116的牢固的、电绝缘的密封。
然后进行机械加工，从而将衬底夹层10、110分为单个元件。机械加工包括使用细齿锯(fine saw)，以按照正交的图案，通过沟槽14、15、115的中线(如图7中虚线所示)进行机械加工。由此，将衬底分为单个的直线元件(rectilinear component)，每个均包括电容器对60，如图8中所示。
每个电容器对包括两个阳极接线端部分23、123，该阳极接线端部分由衬底材料10、110构成。烧结在每个衬底上的是各电容器主体16、116。主体以环氧树脂侧壁24、25为外套。衬底中的台阶30、31与形成在初始衬底晶片中的机械隔离沟槽32、132相对应。此台阶无锰化涂层及任何其它污染物，并且由此确保了暴露的阳极接线端与阴极接线端隔离开。每个电容器主体的顶端区域涂覆在碳浆层(未示出)、银浆层21和121、以及又一层银浆层40中，其形成了元件的阴极部分。由于阴极部分保护在树脂密封材料中，因此没有阴极接线端，元件表现为具有两个阳极接线端的电容器串联对。
最终的处理阶段为五面接线端工艺(five-sided termination process)。这是电子行业中熟知的工艺，其包括形成端帽(end cap)28、29，端帽形成了电容器的外部接线端。接线端层金属可由分离的银、镍和锡(优选按此顺序)层构成。这些是适于通过将电容器接线端焊接至电气或电子电路的触点或其它元件上而形成电连接的金属。
第二实施例
根据本发明的第二种工艺如前面参照图1至4所述的那样进行。制备钽板50，在其每一侧上涂覆以银粘接浆(silver adhesive paste)52(见图9)。加工过的衬底10、110(如前所述)与板50的每一侧相结合，如箭头B和B’所示。通过使主体16、116的涂覆碳的端面27、127与粘接浆52相接触，形成了电接触。银粘接剂在压力和温度下凝固，从而形成良好的导电连接。板50由此而夹在两个处理过的衬底10与110之间。
如实施例1地进行密封工艺，不同之处在于需要两次分别的树脂41的渗入，相应于一侧上的主体16与另一侧上的主体116之间的区域。
在硬化密封树脂以后，然后，通过如第一实施例那样，沿着沟槽14、15、115等(由图10中的虚线所示)进行机械加工，将衬底夹层分为单个的元件电容器对。
形成的元件70在图11中示出。每个电容器元件包括两个阳极接线端部分23、123，阳极接线端部分由衬底材料10、110构成。烧结在每个衬底上的是各电容器主体16、116。主体以环氧树脂侧壁24、25为外套。衬底中的台阶30、31与形成在初始衬底晶片中的机械隔离沟槽32、132相对应。此台阶无锰化涂层及任何其它污染物，并且由此确保了暴露的阳极接线端与阴极接线端隔开。每个电容器主体的端面区域涂覆在碳浆层(未示出)、以及银浆层27、127中。又一层银浆层52与金属板部分50并列，其形成了元件的阴极部分。该板可以是任何能够结合并电镀的导电材料，例如钢或铜。
接着，对阳极接线端部分进行五面接线端工艺。这是电子行业中熟知的工艺，其包括形成端帽(end cap)28、29(覆盖阳极接线端部分的5个暴露面)，端帽形成了电容器的外部接线端。类似地，在阴极区域周围进行四面接线端工艺，从而形成覆盖元件四个侧壁并且与板50和粘接剂52电接触的阴极接线端条带55。
接线端层金属优选由分离的银、镍和锡(优选按此顺序)层构成。这些是适于通过将电容器接线端焊接至电气或电子电路的触点或其它元件上而形成电连接的金属。
由此制造的元件具有两个阳极端接线端和一个中心阴极接线端。这可以按多种方式与电路集成，如图12、13和14中所示。具体的示例为：其中的阴极接线端未连接的图12的串联对；其中的阳极都与单个电路线连接、且阴极接线端连接另一电路线的图13的并联对；以及，图14的阵列对，其中两个阳极接线端每个与各自的电路线相连接，而阴极接线端与第三电路线相连接。
本发明提供了一种制造多个电容器对元件的方法，与两个单个的电容器相比，其每一个电容器对元件具有高的容积效率(volumetric efficiency)，并且需要比两个单个的元件更少的PCB占用面积。该方法制造了由于其不会被错误取向而成为“无极性”的电容器；端部接线柱总是具有一个极性值(在上述实施例中为正)，而中心接线柱具有另一个极性值(负)。由于在将元件连接至PCB之前，不必确定具体的取向，因此该电容器更易于安装。
Claims (11)
1.一种制造多个固体电子元件的方法，包括：
(i)制备第一衬底，第一衬底设置有多个形成于其表面上的第一固体电子元件单元；
(ii)制备第二衬底，第二衬底设置有多个形成于其表面上的第二固体电子元件单元；
(iii)对准第一和第二衬底，使得各第一和第二元件单元每个相互对准；
(iv)将第一和第二衬底固定在一起，使得第一和第二单元工作性地彼此连接，由此形成衬底夹层；以及
(v)分割衬底夹层，从而形成多个单个的元件，每个元件包括工作性地连接至第二元件单元的第一元件单元。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一元件单元和第二元件单元具有相同的电功能。
3.如权利要求2所述的方法，其中在一侧上的第一单元与另一侧上的第二单元之间，各个单元具有不同的性能特征。
4.如权利要求1所述的方法，其中第一和第二元件单元分别具有不同的电功能。
5.一种制造多个固体电容元件的方法，包括：
(a)设置第一衬底层；
(b)在第一衬底层的一个表面上形成多个由多孔烧结整流作用材料构成的第一直立主体；
(c)设置第二衬底层；
(d)在第二衬底层的一个表面上形成多个由多孔烧结整流作用材料构成的第二直立主体；
(e)在第一和第二主体的孔隙上并延伸透过该孔隙形成绝缘层；
(f)在绝缘层上形成导电阴极层；
(g)对准第一和第二衬底，使得主体相互对准；
(h)将第一和第二衬底固定在一起，从而形成衬底夹层，其中第一和第二主体工作性地连接；
(i)将多孔主体密封在电绝缘材料中；以及
(j)将衬底夹层分割为多个单个的电容元件，每个电容元件包括两个电容器，其中第一个与第一多孔主体相对应，而第二个与第二多孔主体相对应。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤(g)，衬底面对面地对准，使得其各自的第一和第二直立主体彼此面对，而步骤(h)包括电连接直立主体的对准的自由端，从而形成夹层构造，其中第一和第二衬底层为外层，籍此，通过分割衬底夹层，形成了多个元件对，每一个元件对具有与外面的第一和第二衬底相对应的第一和第二阳极接线端，以及与主体自由端之间的电连接相对应的阴极区域。
7.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤(g)，衬底背对背地对准，使得其各自的第一和第二直立主体彼此背离，而步骤(h)包括电连接衬底的背面，从而形成夹层构造，其中第一和第二衬底层为内层，而多孔主体为外层，籍此，通过分割衬底夹层，形成了多个元件对，每一个元件对具有与内部的第一和第二连接的衬底相对应的阳极接线端区域，以及与元件的各第一和第二端部区相对应的第一和第二阴极接线端区域。
8.如权利要求6所述的方法，其中，在步骤(g)，在第一与第二主体的各自由端之间插入导电材料板，使得经该板材料形成电连接。
9.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(h)的分割还分割了该板材料，并且通过分割而形成在每个元件中的该板材料的暴露表面部分为每个元件提供了阴极接线端。
10.如权利要求6所述的方法，其中，步骤(g)的电连接借助涂覆在第一与第二直立主体的自由端之间的分立导电粘接垫形成。
11.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(h)的密封工艺还密封了电连接区域，由此遮蔽了每个元件中的阴极区域，并且在没有阴极接线端的情况下允许元件的形成。
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