TW201419336A - 固態電解電容器之改良製法 - Google Patents

Abstract

一種固態電解電容器之改良製法，包括以下步驟：首先，提供一絕緣基板；接著，於該絕緣基板上形成複數包含鋁粉末之導電膠體；之後，進行一高溫燒結程序，使該些導電膠體金屬化以形成複數鋁質基片；之後，於每一鋁質基片之表面形成一介電層；之後，於每一介電層上形成一隔絕層，以定義出相互隔絕之一陽極區和一陰極區；最後，於每一陰極區之介電層表面形成一導電層即製成一固態電解電容單元。

Description

固態電解電容器之改良製法

本發明係有關於一種固態電解電容器之製造方法，尤指一種製程簡易之固態電解電容器之改良製法。

由於半導體技術的日益演進，使得半導體構裝產品在市場的高度需求下不斷地發展成更先進、更精密的電子元件。以目前的半導體技術而言，如覆晶構裝的技術、積層基板的設計及被動元件的設計等，均在半導體產業中佔有不可或缺的地位。

以覆晶/球格陣列封裝結構為例，晶片係配置於封裝基板的表面上並且相互電性連通；封裝基板係由多層圖案化電路層及多層絕緣層所積集而成，其中圖案化電路層可利用微影蝕刻方法加以定義而成，而絕緣層配置於兩相鄰的圖案化電路層之間。再者，為了得到更佳的電氣特性，封裝基板上還配置有電容、電感以及電阻等被動元件，其可經由封裝基板之內部線路而電性連接於晶片以及其他電子元件。

上述之被動元件中，電容器依電解液的型態來分類，則有液態電解電容器和固態電解電容器兩種。其中，前者的壽命決定於電解液乾涸的時間，而後者則因使用固態電解質，故無電解液乾涸之虞而具有壽命長的特點。

傳統之表面黏著式鉭質固態電容元件結構，其電容器元件本體之內部通常具有以鉭金屬粉末製成之陽極元件。然在傳統的製造方法中，以鉭金屬粉末製作陽極元件具有相當高的技術門檻；舉例來說，為了增 加電容量，必須使用粒徑較小的鉭金屬粉末以增加其表面積，並且鉭金屬粉末需經過高溫燒結步驟後方可成型為鉭燒結體。

再者，隨著鉭金屬粉末的粒徑越小，其製作越為困難，亦使得成本增加；此外，粒徑較小的鉭金屬粉末容易造成陰極劑難以滲入，且製程中的高溫燒結步驟更使得整體製程越加複雜。

先前技術如美國第US6249424號專利、美國第US6421227號專利和美國第US6249424號專利另揭露一種微小型積層電容器，係由多層金屬層與多層介電層相互堆疊所構成，雖使得電容器之體積容易微型化，從而增加運用範圍。但是，此種結構更具有製程複雜、成本高、短路率高、製造過程和組裝困難等缺點。

緣是，本發明人有感於前述先前技術之缺點，乃依其從事各種電解電容器之製造經驗和技術累積，針對上述缺失悉心研究各種解決方法，在經過不斷的研究、實驗與改良後，終於開發設計出一種確具實用性之本發明。

為了能夠簡化製程的複雜度與降低製造成本，並製得高良率之固態電解電容器，本發明提供一種固態電解電容器之改良製法。

根據本發明之一實施例，所述固態電解電容器之改良製法包括以下步驟：首先，提供一絕緣基板；接著，於該絕緣基板上形成複數包含鋁粉末之導電膠體，其中該等導電膠體呈矩陣排列且相鄰的兩導電膠體間定義有 一切割道；之後，進行一高溫燒結程序，將該等導電膠體金屬化以形成複數鋁質基片；之後，於每一鋁質基片之表面形成一介電層；之後，於每一介電層上形成一隔絕層，以定義出一陽極區及一陰極區；最後，於每一陰極區之介電層表面覆蓋一導電層，即製成一固態電解電容單元。

根據本發明之另一實施例，所述固態電解電容器之改良製法包括以下步驟：首先，提供鋁粉末；接著，進行一冷壓程序，將該些鋁粉末壓合形成一鋁錠；之後於該鋁錠之表面包覆一介電層；最後，於該介電層之表面包覆一導電層。

綜上所述，本發明之一實施例透過先將包含鋁粉末之導電膠體以局部網印方法成型於絕緣基板上，再將該等導電膠體燒結形成鋁質基片的方式，除了能夠精確地控制所有鋁質基片的厚度、尺寸等，以提升電容器的良率外，還能夠有效簡化製造程序之複雜度、降低製造成本與減少製程時間。

又，本發明之另一實施例透過將鋁粉末冷壓形成鋁錠而不需經由高溫燒結的方式，能夠形成結構強度更佳的陽極元件，並且具備簡化製造程序之複雜度、降低製造成本與減少製程時間等優勢。

本發明之實施例提出一種適於製作晶片型固態電解電容器之改良製法，透過使用鋁(Al)粉取代鉭(Ta)粉以有效解決利用鉭粉製作電容器的過程中所產生的問題，以及簡化積層型電容器製程的複雜度。

〔第一實施例〕

請參閱圖1，其顯示本發明第一實施例之固態電解電容器之改良製法的流程示意圖；並配合參閱圖2及3，以下將詳細說明各步驟之具體特徵。

步驟一：提供一絕緣基板10。所述絕緣基板10以氧化鋁(Al₂O₃)基板最為合適。

步驟二：形成包含鋁粉末之導電膠體(圖未示)。所述導電膠體包含有0至50重量百分比之熱固性樹脂、30至100重量百分比之鋁粉末及0至50重量百分比之固化劑。具體而言，熱固性樹脂以環氧樹脂最為合適，但不限制於此；再者，為了具有更佳的導電度，鋁粉末之粒徑應介於0.05至5微米之間，並且鋁粉末之表面可先經過前處理以形成凹凸狀之不平整表面，從而具有高比表面積；固化劑則以潛伏性固化性最為合適。

此外，為了達到減少線性膨脹之目的，可於導電膠體內添加0至50重量百分比之無機填充劑，而可用作無機填充劑之材料可以是矽石、氧化鋁或氫氧化鋁。

上述之包含鋁粉末之導電膠體能以印刷、噴塗等方法塗佈於絕緣基板10上，其中該等導電膠體係呈矩陣排列，並且每兩相鄰的導電膠體之間定義有一切割道101，以利於後續進行切割程序。較佳地，該等導電膠體係以局部網印方法形成於絕緣基板10上，藉此能夠精確地控制每一導電膠體的尺吋、厚度，並且降低製造成本和整體製程時間。

步驟三：進行高溫燒結程序。具體而言，係透過高溫 燒結程序將成型於絕緣基板上10的導電膠體加以固化(金屬化)，以形成複數鋁質基片11(即導電膠體之燒結體)。較佳地，高溫燒結程序的溫度範圍應介於300℃至550℃之間，而烘烤燒結的時間應介於0.5至1.5小時之間。

步驟四：形成介電層12。在本步驟中，係將絕緣基板10與成型於絕緣基板10上的鋁質基片11進行一化成程序，藉由化成處理(即陽極氧化)使氧化被覆膜(即絕緣性之氧化鋁膜)形成於該等鋁質基片11之表面，以製成介電層12。

再者，上述之化成反應可依不同的化成電壓、化成液來控制介電層12的厚度；在本實施例中係以己二酸銨系、鄰酸系或兩者混合之化成液來製作上述之介電層12。或者，在一變化實施例中，可將絕緣基板10與成型於絕緣基板10上的鋁質基片11泡入電解液中，並且交叉進行氧化和熱處理，亦可製成緻密之介電層12(即氧化被覆膜)。

步驟五：形成隔絕層13，用於在絕緣基板10上定義出一陽極區A和一陰極區C。所述隔絕層13(例如絕緣樹脂)係形成於每一介電層12之中央表面上，使而後成型於隔絕層13之相對二側的電容陽極15和電容陰極16相互絕緣。

步驟六：形成導電層14。在本具體實施例中，形成導電層14的步驟包括：首先，於每一陰極區C之介電層12的表面上成型一導電高分子層141；接著，於每一導電高分子層141上成型一碳膠層142；之後，於每一碳膠 層142上成型一銀膠層143。換言之，導電層14可由導電高分子層141配合碳膠層142、銀膠層143等所構成。

更詳細地說，導電高分子層141係以場效機能控制之精密塗佈法，將導電性高分子溶液均勻塗佈於各介電層12之表面上而形成的導電高分子薄膜，用以作為固態電解質；而上述之導電性高分子可選自聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)或聚噻吩(polythiophen)，其中又以聚苯胺最為合適，此導電性高分子溶液的組成包括苯胺、氧化劑及摻雜劑。

碳膠層142可以是由導電碳膠、碳糊或碳膏所製成，並且形成於導電高分子層141之表面上，銀膠層143則係形成於碳膠層142之表面上，以作為電容陰極16，而未被導電層14覆蓋之鋁質基片11即為向外突出之電容陽極15。如此，即製成固態電解電容單元100。

步驟七：切割成型。沿著絕緣基板10之切割道進行切割，將固態電解電容單元100分割成多數個固態電解電容器1。

步驟八：形成封裝結構(圖未示)。具體而言，可將電容陽極15和電容陰極16分別固定於一導線架的支腳上(圖未示)，以作為引出兩者的終端電極；並且利用被覆材料(例如絕緣、隔熱之樹脂)覆蓋於固態電解電容器1，再經由固化、熟化(aging)等程序以形成封裝結構，使其能夠利用表面貼裝技術(surface-mount technology，SMT)銲接於電路板上。

〔第二實施例〕

請參閱圖4，其顯示為本發明第二實施例之固態電解電容器之改良製法的流程示意圖；並請配合圖5，以下將詳細說明各步驟之具體特徵。

步驟一：提供鋁粉末。所述鋁粉末中還能添加黏結劑，例如樟腦、硬脂酸、聚乙烯醇、萘等，而黏結劑的添加量大致為3至5 wt%。

步驟二，成型鋁錠；具體而言，係先將上述鋁粉末與黏結劑充分混合後，再進行一冷壓程序，利用壓模將鋁粉末壓製成型為矩體狀的鋁錠21；較佳地，冷壓時之荷重為3至15 MN(Mega Newton)/m²，藉以使冷壓後之鋁錠21具有更佳的體密度。再者，上述之冷壓程序中，更包括將一引出電極211插設於鋁粉末中，以使引出電極211與鋁粉末共同被壓合成型，並且相互電性連通。

引出電極211可以是鋁線或鉭絲，由於目前鋁線的厚度較鉭絲為薄，故於本實施例中，引出電極211係選用厚度約為20 μm之鋁線，以進一步縮小電容元件之尺寸，但本發明不以此為限，引出電極211仍可根據實際的應用而選擇合適電極材料。

此外，為使製成之電容器具備電容量大及漏電流小等優點，可在進行冷壓程序之前利用蝕刻方法於鋁粉末之表面形成海綿狀之不平整表面；例如將鋁粉末浸滯於酸性蝕刻液中，讓鋁粉末之表面被侵蝕而形成有凹凸狀之不平整表面，以提高鋁粉末的比表面積，從而使所壓製之鋁錠21可用於提供更佳的電容特性。

步驟三：形成介電層22。在本步驟中，係將壓製出之鋁錠21進行一化成程序，藉由化成處理(即陽極氧化)於鋁錠21之表面形成氧化被覆膜(即絕緣性之氧化鋁膜)，以製成介電層22。

同樣地，上述化成反應可依不同的化成電壓、化成液來控制介電層22的厚度，在本實施例中係以己二酸銨系、鄰酸系或兩者混合之化成液來製作上述介電層22。或者，在一變化實施例中，可將鋁錠21泡入電解液中，並且交叉進行氧化和熱處理，亦可製成緻密之介電層22(即氧化被覆膜)。

步驟四：形成導電層22。在本具體實施例中，形成導電層23的步驟中包括：首先，於介電層22之表面成型一導電高分子層231；接著，於導電高分子層231上成型一碳膠層232；之後，於碳膠層142上成型一銀膠層233，以作為電容陰極(未標示)，而連接於鋁錠21之引出電極211即作為向外突出之電容陽極(未標示)。形成導電層22的具體方法可參考前一實施例，故在此不予贅述。

步驟五：形成封裝結構24。具體而言，形成封裝結構24的步驟包括：首先，將連接於鋁錠21之引出電極211及導電層23分別通過導電性接合劑連接一導電端子，例如一陽極電極24和一陰極電極25；接著，利用樹脂等被覆材料包覆引出電極211、導電層23、部分陽極電極24與部分陰極電極25；之後，藉由進行固化、熟化(aging)等程序以形成封裝結構24，即製成本發明之固態電解電容器2。

〔第三實施例〕

請參閱圖6，其顯示本發明第三實施例之固態電解電容器之改良製法的流程示意圖；並請配合圖7，以下將詳細說明各步驟之具體特徵。

步驟一：製作陽極箔31和陰極箔32。具體而言，所述陽極箔31係先將鋁粉末噴塗於片狀鋁箔上，待乾燥後進行高溫燒結程序以形成鋁多孔質高溫燒結體，之後於高溫燒結體之表面化成一氧化膜所製成；其中有關於高溫燒結程序的溫度範圍及時間可參考第一實施例，故在此不予贅述；在一變化實施例中，鋁粉末中還可選擇性添加有鈦及/或氫化物等燒結助劑而成為鋁混合原料粉末。另外，所述陰極箔32可選自一般碳箔、鋁箔或鈦箔，但不限制於此。

步驟二：進行捲繞程序。所述捲繞程序係將一隔膜33夾置在陽極箔31和陰極箔32之間，並連同引出電極34一起捲製成電容器芯子30；其中隔膜33可選用馬尼拉麻纖維電解紙，但不限制於此，並且隔膜33的厚度約為30至60 μm，而密度約為0.2至0.6 g/cm³。

步驟三：進行碳化程序，而碳化溫度約介於200℃至300℃之間。步驟四：進行化成程序。同樣前述實施例，係將電容器芯子30泡入電解液中，以於表面形成介電層。

步驟五：形成高分子層35。具體而言，係先將電容器芯子30浸漬於高分子溶體中，並於取出後加熱固化，以形成一高導電性之高分子層35於電極之間。步驟六：進行組裝程序。具體而言，係先將電容器芯子30組裝於一鋁殼36內，再以密封性能優良的環氧樹脂或丁基橡膠進行封裝， 以覆蓋一封裝結構37於電容器芯子30上，並裸露出引出電極34。

步驟七：附加指定之電壓進行老化程序，老化的溫度和時間可依電容器的種類、容量、電壓而有所調整，經由上述之步驟即製成本發明第三實施例之固態電解電容器3。

〔實施例之功效〕

本發明實施例所提出的固態電解電容器之改良製法能藉由鋁粉本身的物化特性以有效簡化製程的複雜度。

舉例來說，本發明之第一實施例透過先將包含鋁粉末之導電膠體以局部網印方法成型於絕緣基板上，再將該等導電膠體燒結形成鋁質基片的方式，除了能夠精確地控制所有鋁質基片的厚度、尺寸等以提升電容器的良率外，還能夠有效簡化製造程序之複雜度、降低製造成本與減少製程時間。

另外，本發明之第二實施例透過將鋁粉末冷壓形成鋁錠而不需經由高溫燒結的方式，能夠形成結構強度更佳的陽極元件，並且具備簡化製造程序之複雜度、降低製造成本與減少製程時間等優勢。

再者，所述之鋁粉末可先經過前處理，使之具有高比表面積，進而提升製成之電容器的電氣特性。此外，本發明之改良製法使用鋁粉取代鉭粉，能夠有效解決以鉭粉製作電容器之過程中所產生的問題。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容 所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

100‧‧‧固態電解電容單元

1‧‧‧固態電解電容器

10‧‧‧絕緣基板

101‧‧‧切割道

11‧‧‧鋁質基片

12‧‧‧介電層

13‧‧‧隔絕層

14‧‧‧導電層

141‧‧‧導電高分子層

2‧‧‧固態電解電容器

21‧‧‧鋁錠

211‧‧‧引出電極

22‧‧‧介電層

23‧‧‧導電層

231‧‧‧導電高分子層

232‧‧‧碳膠層

233‧‧‧銀膠層

142‧‧‧碳膠層

143‧‧‧銀膠層

15‧‧‧電容陽極

16‧‧‧電容陰極

A‧‧‧陽極區

C‧‧‧陰極區

3‧‧‧固態電解電容器

30‧‧‧電容器芯子

31‧‧‧陽極箔

32‧‧‧陰極箔

33‧‧‧隔膜

34‧‧‧引出電極

35‧‧‧高分子層

36‧‧‧鋁殼

37‧‧‧封裝結構

24‧‧‧封裝結構

25‧‧‧陽極電極

26‧‧‧陰極電極

圖1為本發明第一實施例之固態電解電容器之改良製法之流程示意圖；圖2為本發明第一實施例之固態電解電容器之剖面示意圖；圖3為本發明第一實施例之固態電解電容器之上視示意圖；圖4為本發明本發明第二實施例之固態電解電容器之改良製法之流程示意圖；圖5為本發明本發明本發明第二實施例之固態電解電容器之剖面示意圖；圖6為本發明本發明第三實施例之固態電解電容器之改良製法之流程示意圖；以及圖7為本發明本發明本發明第三實施例之固態電解電容器之剖面示意圖。

1‧‧‧固態電解電容器

10‧‧‧絕緣基板

11‧‧‧鋁質基片

12‧‧‧介電層

13‧‧‧隔絕層

14‧‧‧導電層

141‧‧‧導電高分子層

142‧‧‧碳膠層

143‧‧‧銀膠層

15‧‧‧電容陽極

16‧‧‧電容陰極

A‧‧‧陽極區

C‧‧‧陰極區

Claims (11)

1. 一種固態電解電容器之改良製法，包括以下步驟：提供一絕緣基板；於該絕緣基板上形成複數包含鋁粉末之導電膠體，其中相鄰的兩導電膠體間定義有一切割道；進行高溫燒結程序，將該等導電膠體金屬化以形成複數鋁質基片；於每一鋁質基片之表面形成一介電層；於每一介電層上形成一隔絕層，以定義出一陽極區及一陰極區；以及於每一陰極區之介電層表面覆蓋一導電層，以製成固態電解電容單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該覆蓋導電層的步驟中，更包括以下之步驟：於每一陰極區之介電層表面成型一導電高分子層；於每一導電高分子層上成型一碳膠層；以及於每一碳膠層上成型一銀膠層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該碳膠層係由導電碳膠、碳糊或碳膏所製成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該些包含鋁粉末之導電膠體包括：0至50重量百分比之熱固性樹脂；30至100重量百分比之鋁粉末；0至50重量百分比之固化劑；以及0至50重量百分比之無機填充劑。
5. 如申請專利範圍第4項所述之固態電解電容器之改良製 法，其中該些鋁粉末之粒徑介於0.05至5微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該些導電膠體係以局部網印的方式形成於該絕緣基板上，該高溫燒結程序之溫度範圍介於300℃至550℃之間且時間介於0.5至1.5小時之間。
7. 一種固態電解電容器之改良製法，包括以下步驟：提供鋁粉末；進行冷壓程序，將該些鋁粉末壓合形成一鋁錠；於該鋁錠之表面包覆一介電層；以及於該介電層之表面包覆一導電層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該包覆導電層的步驟中，更包括以下之步驟：於該介電層之表面包覆一導電高分子層；於該導電高分子層之表面包覆一碳膠層；以及於該碳膠層之表面包覆一銀膠層。
9. 如申請專利範圍第7項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該些鋁粉末具有海綿狀之不平整表面。
10. 如申請專利範圍第7項所述之固態電解電容器之改良製法，其中該形成鋁錠的步驟中，更包括先將一引出電極插設於該些鋁粉末中，再以壓模將該些鋁粉末與該引出電極共同冷壓成型，並且冷壓時之荷重介於3至15 MN(Mega Newton)/m²之間。
11. 一種固態電解電容器之改良製法，包括以下步驟：提供一陽極箔及一陰極箔；以及進行捲繞程序，將一隔膜夾置於該陽極箔及該陰極箔之間，並與複數引出電極重疊捲繞成一筒狀芯子； 其中該陽極箔係將鋁粉末噴塗於一基箔上，待乾燥後進行高溫燒結程序以形成一鋁多孔質高溫燒結體，之後於該鋁多孔質高溫燒結體之表面化成一氧化膜所製成。