TW201513988A - 大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片，大型單層陶瓷被動元件素片為正方形或正圓片之結構體，透過陶瓷注射成形技術將以下特徵製作出來，含：兩側具有電極凸台、圓角化的電極凸台邊緣、電極凸台與素片本體交接處以及素片本體之邊緣，經過複合脫黏法、氣氛與壓力控制燒結後，再採用低溫真空濺鍍佈施複合電極層，成為一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片。
Description
大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片，該大型單層陶瓷被動元件素片為正方形或正圓片之結構體，透過陶瓷注射成形技術將以下特徵製作出來，含：兩側具有電極凸台、圓角化的電極凸台邊緣、電極凸台與素片本體交接處以及素片本體之邊緣，經過複合脫黏法、氣氛與壓力控制燒結後，再採用低溫真空濺鍍佈施複合電極層，成為一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片，本發明所屬之技術領域，包含：陶瓷粉末注射成形、複合脫黏、氣氛與壓力控制燒結以及低溫真空濺鍍複合鍍膜技術。
市面上販售單層陶瓷被動元件如陶瓷電容器(Ceramic Capacitors)、壓敏電阻器(Metal Oxide Varsitor)以及壓電陶瓷器(PIEZO)，已經是過去百年來電子裝置如傳統電冰箱、電視機、冷氣機，甚至到了近代各種吸塵機、伺服器電源供應器等，都是不能或缺的基本電子被動元件，估計每年全世界需求約有5兆片的市場供應，但是其中有近1兆片是為大形的單層陶瓷被動元件，應用在高端電流電壓忍受的精密電子裝置上。
近年，電子產品過度重視小型化與高積集度的要求，大家的目光與研發精力都集中在小型多層陶瓷被動，而忽略了大型單層陶瓷被動元件改進，甚為可惜。其中，所有陶瓷被動元件的碰撞缺角損失(大型片的重量較大)、密度不均與電極塗布不良是困擾業界最久的項目，必須以超額生產挑
出不良品，並使用昂貴銀漿或銅漿塗布後，再次高溫燒結以期望獲得緊實的電極面與良品，除了加工耗損且消耗昂貴的電極材料之外，多次高溫燒結與製程轉換衍生的功能劣化、能源浪費以及碳排放問題，著實應該以更好的辦法改善。
傳統的大型單層陶瓷被動元件素片製程首先必
須以大量的潤滑油脂與蠟基材料混入陶瓷粉末中，經由複雜耗時的球磨混粉與造粒方式，隨後採用大型的油壓壓錠機器，將素片生坯壓製出來，由於大型陶瓷被動元件素片的面積大(大於100mm2)且厚度超過1mm，壓結生坯體不能採用僅能以直角化設計，主要在於直壓模具的限制，有額外的突出特徵會造成應力傳達不確實而累積在特徵與直角邊緣，生坏體的粉末累積在此些特徵位置便與在生坯體中心部位便有差異，燒結過程容易扭曲變形。並且，直壓式模具設計圓角化必須在於模具衝頭上形成鋒利生坯體模穴端的邊緣，這樣薄弱的鋒利邊緣很容易崩角進而斷裂，維護保養不易之外，亦容易造成生坯體的缺陷與掉落模具碎屑污染產品。
直壓壓結後所得到的生坯，必須採用攏長的熱脫
黏方式至少12小時的程序，才能清除生坯體內所含有的大量潤滑劑與蠟，然後進行燒結獲得大型單層陶瓷被動元件的素片。因為沒有有效的辦法形成凸台特徵與圓角化邊緣，便無法防止後製程碰撞、甚至是產品遭受大電流與大電壓衝擊過程，邊角破裂及電極短路引發燒毀，是一直以來的問題。
隨後，大型陶瓷被動元件之素片須採用傳統的銀
漿或是銅漿佈施電極面，由於漿料體中必須混入至少5%以上的低溫釉料作為燒結金屬電極與陶瓷面附著的輔助，導致電極面積小無法發揮大型陶瓷被動元件的真實功能，也因釉料加入影響電極附著力(普遍低於2kg拉力)，因此對於大型陶瓷被動元件的功能影響甚劇。
歸結習知技術發生的缺失點，包含如下：
大型陶瓷被動元件生坯都使用乾式油壓機直壓方法，遭遇到大面積與厚度厚的產品需求時，由於壓力傳達不夠均勻，粉末容易在邊角、表面與中心區形成不均勻的密度分布，燒結後素片扭曲變形很大。
使用乾壓成形為了要解決上述生產問題，添加了更多的潤滑劑，造成脫黏排膠製程攏長，生產效率低。使用過多潤滑劑導致收縮比值大於1.2(意味要獲得1mm的尺寸時，生坯要控制在1.2mm)，脫黏排膠的時間必須要增加。
由於乾壓法模具的限制，上述大型陶瓷被動元件素片的邊緣都是直角，且無法創造電極面與本體的區隔凸台特徵，當進行電極面塗布施工的時候，非常容易的產生溢度與不同心等問題。影響產品電氣功能甚劇。
以傳統銀漿與銅漿以網印施工後進行二次燒結，或是傳統的真空濺鍍銅電極，對於焊錫合金化抵抗能力甚於薄弱，在大電壓與電流之衝擊之下，無法忍受高溫而產生電極液化，阻抗升高。
有鑑於上述習知之缺失，本發明之主要目的就是在提供一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片，該大型單層陶瓷被動元件素片為正方形或正圓片之結構體，透過陶瓷注射成形技術將以下特徵製作出來，含：兩側具有電極凸台、圓角化的電極凸台邊緣、電極凸台與素片本體交接處以及素片本體之邊緣，經過複合脫黏法、氣氛與壓力控制燒結後，再採用低溫真空濺鍍佈施複合電極層，成為一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片，以期克服現有技術製作的產品之困難點。
為達到上述目的，本發明所採用之技術手段，程序如下：陶瓷被動元件之粉末體與高分子聚合物黏結劑
之混合，其中高分子聚合物黏結劑包含石蠟：硬脂酸鋅：高密度線性聚乙烯(HDPE)：乙烯、醋酸乙烯酯共聚合物(EVA)，經過均勻混合製成2~8mm的顆粒或多角碎片，提供注射成形之用。
經過注射成形機將上述材料注射於具有特殊電
極凸台與圓角化的產品模具內，形成一種大型單層陶瓷被動元件的生坯體(Green Part)。
該生坯體可採用複合式脫黏技術，即在有機溶劑
中快速去除高分子聚合物黏結劑中所含有之石蠟與硬脂酸鋅至少超過95%體積百分比以上；然後，再以熱脫黏方式去除剩餘之高密度線性聚乙烯(HDPE)和乙烯、醋酸乙烯酯共聚合物(EVA)以及殘留之低熔點黏結劑。通過此製程獲得之大型單層陶瓷被動元件脫黏後的生坯體稱為棕坯體(Brown Part)。通常熱脫黏階段會結合最後段之高溫燒結爐一同進行。
熱脫黏與高溫燒結採用可控制氣氛與壓力之燒
結爐，在熱脫黏段使用氮氣氛於60~80kpa(0.5~0.6atm)壓力下，方便殘留的高分子聚合物黏結劑能夠在低壓力下由固體轉化成氣體，汽化分解去除，控制熱脫黏溫度在約600℃後轉換成高溫燒結；隨後在高溫燒結段，則切換至一般空氣並設定壓力範圍在102~110kpa(1.0~1.1atm)壓力，燒結後得到大型單層陶瓷被動元件的素片。
清潔燒結後素片表面的電極凸台，簡單的以高壓
空氣吹帶毛刷清除其表面粉塵。
以低溫真空濺鍍佈施複合電極於此大型單層陶
瓷被動元件素片之電極凸台上，此電極結構使用之鍍膜方式為先佈施第一複合層之過渡層，採用以鎳鉻合金(Cr-Ni)與其為主之其他合金等作為陶瓷被動元件素片材料與第一複合層之導電層之接合與過渡功能，然後再次佈施第一複合層之導電層，如銅(Cu)/鋁(Al)等導電性良好的賤金屬，第一複合層之
過渡層與導電層組合形成一個基本的複合電極層，如此重複至少一次之複數次施工。
完成一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極
層之素片。
此外，本發明進一步揭露一種大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片：該大型單層陶瓷被動元件素片為正方形或正圓片之結構體，透過陶瓷注射成形技術將以下特徵製作出來，含：兩側具有電極凸台、圓角化的電極凸台邊緣、電極凸台與素片本體交接處以及素片本體之邊緣，將傳統直壓模具無法大量製作的特徵成形後，大大提升製造素片的生產效率減少後續製程碰撞缺角的損失。
隨後，經過複合脫黏法、氣氛與壓力控制燒結後，再採用低溫真空濺鍍佈施複合電極層，採用以過渡層與導電層組合的複合層，可大大改善焊錫侵蝕電極所造成之電極之附著力下降、耐電壓通流差的功能，同時有效增加電極面積，提升整體陶瓷被動元件功能。
第一圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片之流程圖。
第二圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片之陶瓷粉末注射成形實施例圖。
第三圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片之複合脫黏的基理例圖。
第四圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片之具有電極凸台與圓角化的素片實施例圖。
第五圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片之素片上電極凸台特徵的功能解釋例圖。
第六圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片所敘述之複合鍍層實施例圖。
第七圖為本發明大型單層陶瓷被動元件帶有複合電極層之素片所敘述之複合鍍層能夠作為錫-銅共晶熔解屏障之實施例圖。
第八圖為提供錫銅合金共晶熔解現象之參考例圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
以下參照圖式說明本發明之實施例，應注意的是，以下圖式係為簡化之示意圖式，而僅以示意方式說明本發明之基本構想，遂圖式中僅例示與本發明有關之結構而非按照實際實施時之元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件之型態、數量及比例並非以圖示為限，可依實際設計需要作變化，合先敘明。
請配合參看第一圖所示，本發明係為一種大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其製造程序已經於發明內容說明過，在此不重複贅述。請進一步配合參看第二至第八圖所示。
有關大型單面陶瓷被動元件素片的成形技術，如第二圖所描述是本發明係採用陶瓷瓷粉末注射成形(Ceramic-powder Injection Molding,CIM)製造的程序圖，圖(21)首先準備陶瓷被動元件的陶瓷粉粉以及必要之高分子聚合物組成的黏結劑，放入圖(22)專用的剪力混鍊機進行加熱混合成為注射用的射料。然後，將射料進行如圖(23)方式以熱擠出成為2~8mm的顆粒狀射料用來注射，以圖(25)專用注射成形機將大型單層陶瓷被動元件之生坯體(Green part)藉由專用模具注射成形。經過注射成形之後，以圖(26)之複合脫黏設備，先
以溶劑快速萃取熔點溫度低之黏結劑所含的高分子聚合物，當完成此溶劑脫黏步驟時，脫除黏結劑的生坯體稱為棕坯(Brown part)，將棕坯移入圖(27)之燒結爐進行真空加熱方式進行高溫脫黏，燒除比較高溫度的黏結劑所含的高分子聚合物，隨後進行高溫燒結獲得大型單層陶瓷被動元件的素片。
第一表所敘述為舉出兩種類型的陶瓷被動元件以第二圖所示之製程進行的操作參數，由於每一種大型單層陶瓷被動元件素片的密度並不相同，所表內所付的參數也不全然相同，請 貴審查委員能充分理解。
另外，為方便 貴審查委員充分理解陶瓷粉末注
射成形的生坯體/素片尺寸放大率(OSF,Oversize Shrinkage Factor)，如第二表所示為計算程序，其中先假設取得之陶瓷素片為氧化鋅，密度為5.61g/cm3；黏結劑為1.02g/cm3。則必須利用數學法推算出氧化鋅與黏結劑的重量比，方可作為生產之數據。
本發明所稱之複合脫黏與燒結請見第三圖所表示，在第二圖(26)中的脫黏步驟屬於複合脫黏的低溫脫黏段，如圖(31)所示為其脫黏機理之描述，以有機溶劑(石油基之有機溶劑如正庚烷與正己烷)進行低溫(60℃)浸泡萃取黏結劑中的PW/SA/ZS等低熔點的高分子聚合物，使生坯體產生多孔質狀方便下一脫黏程序進行。當完成低溫溶劑脫黏後，隨後移入第二圖(27)所示之燒結爐，進行高溫段真空熱分解脫黏，如第三圖(32)之脫黏機理圖，高溫的黏結劑藉由高溫和真空的抽汲作用，汽化分解的高溫黏結劑(HDPE/PE/EVA)便沿著之前低
溫脫黏後的路徑排除。隨後，第三圖(33)所示，高溫正壓燒結便可進行，被移除黏結劑的多孔隙粉末體經過高溫燒結的固態擴散機理，可以獲得高密度的陶瓷素片。
第四圖表示有關本發明之大型單層陶瓷被動元
件的斷面圖形特徵，圖(41)為正方片；圖(42)為正圓片，細部放大圖B剖面斜線部份為一種大型單層陶瓷被動元件的斷面圖；其中S：為正方片的邊長(15mmS or D100mm)；如為正圓形，則S=D=圓形的直徑。T：為陶瓷片的厚度(1mmT50mm)；t：為電極凸台高度(0.1mmt1/2T)，凸台係高出大型單層陶瓷被動元件最大面積底面之上，供後續電極佈施使用。TR：為圓角化的大型單層陶瓷被動元件素片本體邊緣，R之尺寸範圍為(0.05mmR1/2T)。tr：為圓角化的電極凸台邊緣與單層陶瓷被動元件本體相接處，r尺寸範圍為(0.05mmr1/2t)。
請見第五圖，當完成具有電極凸台特徵之大型單
層陶瓷被動元件素片，便需要開始進行複合電極面的佈施。
由於過去採用的昂貴金屬粉體(銀漿或銅漿)，甚至是傳統的真空濺鍍、蒸鍍法，因為沒有凸台特徵的設計，素片容易產生移動與對位不準確的問題，結果造成兩面電極不對稱或不同心，如第五圖(51)所示。在本發明則為第五圖(52)所示，我們可採用金屬如鋁合金或不鏽鋼銑切出適當的遮蔽治具，利用本發明之特殊電極凸台特徵進行精確定位，不論採用何種金屬漿體不師法或是真空蒸鍍、真空濺鍍乃至於真空多弧離子鍍膜，都可以使電極精確定位且對稱。同時，如第五圖(53)所示，由於電極凸台高出大型單層陶瓷被動元件之素片的本體表面，當進行外接引線焊接時，引線底部不會與大型單層陶瓷被動元件之素片的本體表面接觸，避免了電暈效應(Corona Effect，一種引線與陶瓷被動元件接觸與非接觸的微小空間導致的起弧，是過去陶瓷被動元件最不容易察覺的電氣干擾)，
也是一種新穎的解決方法。
第六圖所表示為本發明採用之複合鍍膜層之實施範例，係為兩層複合鍍膜層之展示，在大型單面陶瓷被動元件素片之上首先以真空濺鍍施工佈施第一複合層之過渡層，此過渡層係作為陶瓷被動元件表面材料與第一複合層之導電層材料相接和之作用；隨後進行第一複合層之導電層之佈施；然後過渡層和導電層組合成為第一複合層，如此重複一次為本圖之實施範例。
有關此導電複合層之實施以真空濺鍍參數範例如第三表所示
第七圖為本發明採用之複合鍍膜層之實施範例，用以解釋複合鍍層如何抵抗焊錫侵蝕和高溫熔解作用，請先
看第八圖有關錫-銅二元合金相圖(Phase Diagram)，資料係由國際熱動力資料庫系統提供(The Integrated Thermodynamic Databank System,www.factsage.com)，在隨機的狀況與一大氣壓下，錫-銅發生所謂共晶熔解(Eutectic melting)的溫度在214℃的位置(其中Cu：Sn=97：3)，遠比傳統的焊錫溫度範圍(230~260℃)更低許多，一但出現共晶現象，錫-銅共晶熔解的現象會持續擴散直到溫度低於該熔點溫度。因此，本發明利用與錫共晶熔點高於此溫度之第三種金屬或其他合金，來作為阻擋錫-銅共晶熔解的屏障(Barrier)，也剛好是本發明所使用的複合鍍層之過渡層材料，為鎳鉻合金(Cr-Ni)與其為主之其他合金等，可以有效阻擋錫-銅共晶熔解。
綜觀上述，可見本發明在突破先前之技術下，確
實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
雖然前述的描述及圖式已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉本發明所屬技術領域之一般技藝者將可體會，本發明可使用於許多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例應被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。
Claims (10)
- 一種大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，該大型單層陶瓷被動元件素片造型為正方形或正圓片之結構體，透過陶瓷注射成形技術將特徵製作出來，其特徵包含：兩側具有電極凸台、圓角化的電極凸台邊緣、本體交接處與素片本體之邊緣，經過複合脫黏、氣氛與壓力控制燒結後，再採用低溫真空濺鍍佈施銅電極，成為一種大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該大型單層陶瓷被動元件素片造型為正方形或正圓片之結構體，該正方形邊長尺寸大於15mm，或該正圓形直徑大於15mm，且整體厚度大於1mm以上。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該電極凸台特徵為在單層陶瓷素片體的最大兩面積側，距離邊緣0.5~1mm以內，形成向上側凸出至少是0.1mm以上但不超過該本體之1/2厚度，供後續製程佈施電極使用。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該圓角化的電極凸台邊緣、本體交接處，其圓角之半徑尺寸為大於0.05mm以上，但不超過該凸台全高的1/2高度，以作為兩側電極塗佈及後續製程的精確定位。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該圓角化的素片本體之邊緣，其圓角之半徑尺寸為大於0.05mm以上，但不超過陶瓷素片本體的1/2厚度，此特徵提供後續製程與此陶瓷被動元件工作時的撞擊缺角、急速膨脹的應力集中之緩衝。
- 如請求項3所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該電極凸台，係提供以真空濺鍍佈施銅電極使用之精確定位，防止電極施工過程的偏差，以及確保兩側電極同 心或是相同投影面積，且因此不造成兩電極溢出造成距離過近產生之引弧與短路問題。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該陶瓷注射成形技術，其陶瓷原料粉末必須混合大於整體射料的30%與小於50%之間的體積比例之高分子聚合物黏結劑，進行充分密鍊後使用，同時將生坯體與燒結後陶瓷素片體的線性放大比控制在大於1.05但小於1.19以內之範圍。
- 如請求項1所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該作為黏結劑配方的高分子聚合物，包含低熔點的部份，係以硬脂酸/硬脂酸鋅/硬脂酸金屬基等作為活化劑，以石蠟/微晶蠟/巴西蠟/蜜蠟可作為填充劑，而活化劑和填充劑之總和體積比例等於黏結劑總和體積之50%：黏結劑剩餘之50%體積則為耐高溫黏結劑，則是以高密度聚乙烯(HDPE)/聚乙烯/乙烯、醋酸乙烯酯共聚合物(EVA)/聚丙烯(PP)，採用單獨或任意比例混合均可之配方。
- 如請求項6所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該電極凸台特徵，係提供以真空濺鍍佈施銅電極使用之精確定位且避免外接引線接觸陶瓷被動元件素片之本體，而真空濺鍍之鍍層設計係採用複合鍍層，以鎳鉻及其合金作為陶瓷被動元件素片的表面與導電層、導電層與導電層相銜接之過渡層材料，其厚度由10nm~1500nm範圍均可；導電層材料則以銅/鋁之高導電之純金屬，以真空濺渡佈施之厚度則為300nm~3000nm範圍均可。由過渡層-導電層構成之第一複合鍍層組合，可連續實施由單一層次至複數層次範圍。
- 如請求項6所述之大型單層陶瓷被動元件帶有銅電極之素片，其中該電極凸台，係提供以真空濺鍍佈施銅電極使用之精確定位，除提供以真空濺鍍佈施複合層電極使用之精確定位之外，亦可作為網版印刷、滾印與壓印各種導電金屬或合金漿體之用，以形成正確且不致溢出金屬漿體的電極。
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