TW201808625A - 多層結構元件及製造多層結構元件之方法 - Google Patents

Abstract

說明一種多層結構元件(100)，具有惰性陶瓷基板(1)及至少一個功能陶瓷(2)，該功能陶瓷(2)完全被該陶瓷基板(1)圍住。還說明一種製造多層結構元件(100)的方法。

Description

多層結構元件及製造多層結構元件之方法

本發明係關於一種陶瓷多層結構元件。還關於一種製造陶瓷多層結構元件的方法。

為在多層結構元件中整合安裝功能性，已知將一個完整封裝的電子陶瓷或功能陶瓷整合安裝在一個惰性有機的材料中。也已知一種功能陶瓷(例如一種壓敏陶瓷)製的載體結構。然而需要附加的表面層，如玻璃製或聚合物製，以保護功能陶瓷不受到外在的影響。

要解決的問題是，說明一種改良的多層結構元件，以及一種改良之多層結構元件的製程。

經由依據獨立請求項之標的及程序來解決這個問題。

依據一個觀點說明一種多層結構元件。多層結構元件具有惰性的陶瓷基板。由「惰性」這個詞就知道，陶瓷基板的表面有高絕緣電阻。高絕緣電阻讓基板的表面不會受到外在的影響。

高絕緣電阻讓表面對於電子化學程序(如分離表面上的金屬層)不敏感。高絕緣電阻讓基板的表面更能耐受得住侵入的媒體(aggressive Medien)，例如在焊接程序時使用的侵入性(aggressive)液體。

多層結構元件具有至少一個功能陶瓷。多層結構元件也可以具有一個以上的功能陶瓷。多層結構元件具有兩個、三個、五個、十個或更多個功能陶瓷。功能陶瓷是用來提供多層結構元件的特有功能性。功能陶瓷將特定的功能整合安裝在基板中。不同的功能陶瓷也可以提供不同和相同的功能性。

陶瓷基板是作為功能陶瓷的載體。功能陶瓷完全被陶瓷基板圍住。換句話說，功能陶瓷是全面地被基板惰性、介電的陶瓷材料圍住。功能陶瓷具有專屬特性，例如規定的形狀及尺寸，以便將功能陶瓷整合安裝在陶瓷基板中。例如，功能陶瓷為顆粒形，球形，圓盤形，橢圓形或是立方形。功能陶瓷的直徑小於或等於100μm，例如50μm。

陶瓷基板有特定的特性，以便將功能陶瓷整合安裝在基板中。所以在基板的內部區域中作出一個溝槽，在製造多層結構元件時將功能陶瓷安裝在其中。功能陶瓷被完全地裝置在基板的內部區域中。

經由惰性、介電陶瓷基板，功能陶瓷不會受到有害的外在影響。以這個方法可以製備一種袖珍型、穩定、耐用及適用的多層結構元件。

依據一個實施例，陶瓷基板為一種LTCC(low temperature cofired ceramics)陶瓷。LTCC-技術可以讓陶瓷多層結構元件有更多個金屬層，在其中整合安裝多個被動元件，例如印刷電路板、電阻、電容及電感。LTCC陶瓷有低介電係數。這樣可以降低不想要的寄生電子作用，如抑制基板的寄生電容。

依據一個實施例，多層結構元件具有多個功能陶瓷。功能陶瓷有各種不同的特性。功能陶瓷具有像是不同的膨脹係數及/或不同的燒結溫度。經由將功能陶瓷完全嵌入基板的惰性介電材料中，可以將功能陶瓷各種不同的特性組合在一起。

因此可以將不同的功能性整合在一起。可以實現極度適用且彈性地裝在使用的多層結構元件中。

依據一個實施例，一種功能陶瓷至少為一種HTCC陶瓷製成。HTCC陶瓷燒結溫度明顯超過1000℃，例如1500℃。在溫度明顯低於1000℃時受到基板LTCC陶瓷的處理(燒製)不會影響HTCC陶瓷的顆粒結構。在LTCC陶瓷燒製之後也保留基板中的功能陶瓷功能性。

根據一個實施例，功能陶瓷為壓敏電阻、NTC(negative temperature coefficient)陶瓷、PTC(positive temperature coefficient)陶瓷或鐵氧體。功能陶瓷也可以作成ESD-保護元件。因此經由功能陶瓷可以製備不同的多層結構元件功能性。

根據另一個觀點說明一種製造多層結構元件 方法。經由該方法製造上述多層結構元件。全部與多層結構元件有關的特性也可以適用於方法，反之亦然。

在第一步驟中，製造功能陶瓷，尤其多個功能陶瓷。這樣可以製造具有不同功能性的功能陶瓷。

該功能陶瓷是以陶瓷噴霧顆粒、陶瓷粉末及/或陶瓷生胚為基質。過篩、壓製及燒結陶瓷噴霧顆粒，陶瓷粉末及/或陶瓷生胚。是在溫度高於或等於1000℃(例如1300℃或1500℃)的製造程序燒結功能陶瓷。在製造時，功能陶瓷可以作成各種不同的幾何形狀。例如功能陶瓷可以為燒結的顆粒、燒結的球形、燒結的晶片或燒結的立方體。

在下一個步驟中，製備具有溝槽的LTCC生片。生胚彼此堆疊。經由將生片沖孔或雷射蝕穿作出溝槽，並完全貫穿所提供使用的生片。

在下一個步驟中，在生片的部份上製備電極結構，如印刷。電極結構為銀及/或鈀製。在生片堆疊之前塗覆電極結構。

在下一個步驟中，將功能陶瓷裝入溝槽中。將溝槽和功能陶瓷組合在一起、以及將功能陶瓷確實地夯實在溝槽中。

在下一個步驟中，製備生料狀態的陶瓷覆膜。

這是安裝在生片層疊的正面和底面上。覆膜是沒有溝槽，這樣功能陶瓷才能全面地被陶瓷材料圍住。

在下一個步驟中，將生片及覆膜堆疊成一個 生料層疊並進行擠壓。

在下一個步驟中，可以選擇經由沖孔或雷射蝕穿的程序作出其他的溝槽，以在生料層疊中作出層間電路接通。這些溝槽整個貫穿生料層疊。溝槽是裝在生料層疊的區域中，在安裝功能陶瓷的空間區域方面是彼此分開的。

在下一個步驟中，燒結生料層疊。在例如低於功能陶瓷燒結溫度的150℃燒結生料層疊。這樣生料層疊的燒結才不會影響整合安裝之功能陶瓷的功能性。適當地選用限定往z-方向收縮和往x及y-方向稍微收縮的LTCC陶瓷，以便能夠無裂縫地封裝穿過陶瓷基板的功能陶瓷。這樣基板的陶瓷材料可以確實地裝在功能陶瓷上。此外還可以在生料層疊燒結之後在功能陶瓷及陶瓷基板的材料之間留下一個縫隙。

在最後一個步驟中，在燒結好的生料層疊的外表面上製備外接觸。

例如將焊膏塗覆在燒結好的生料層疊的端面上，並接著進行燒製。

這樣產生的多層結構元件具有完整地裝置在陶瓷基板中的至少一個功能陶瓷。經由將功能陶瓷嵌裝在惰性、介電的陶瓷材料中，多層結構元件可以中止惡劣的環境條件(高溫、侵入性媒體)，功能陶瓷不會受損。因陶瓷基板的低介電係數，還可以在使用時投入使用多層結構元件，降低基板不想要的寄生電子效應(例如寄生電容)扮 演重要的角色。因此提供一種耐用及適用的多層結構元件。

以下說明的圖樣並未按比例繪製。為了易於說明，遂將個別的尺寸放大，縮小或是變形表示。

相同或是相同功能的元件皆用同一個標記符號來標示。

1‧‧‧LTTC陶瓷/基板

2‧‧‧功能陶瓷

3‧‧‧外接觸

4‧‧‧內電極

4a‧‧‧橋形接片

4b‧‧‧狹窄形

5‧‧‧外電極

6‧‧‧溝槽

7‧‧‧導孔/層間電路接通

8‧‧‧焊接

9‧‧‧接觸面

10‧‧‧熱源

11‧‧‧熱接觸

13‧‧‧覆膜

14‧‧‧焊膏

15‧‧‧生片

16‧‧‧生料層疊

100‧‧‧多層結構元件

第1圖係多層結構元件之示意圖，第2圖係依據第一實施例之多層結構元件之剖面圖，第3圖係依據第二實施例之多層結構元件之剖面圖，第4圖係依據第3圖之多層結構元件的水平剖視圖，第5圖係按照第3圖的多層結構元件之另一個實施例之水平剖視圖，第6圖係依據第三實施例之多層結構元件之剖面圖，第7圖係依據第四實施例之多層結構元件之剖面圖，第8a圖係依據本發明之製造多層結構元件的方法的步驟，第8b圖係依據本發明之製造多層結構元件的另一個方法的步驟，第8c圖係依據本發明之製造多層結構元件 的另一個方法的步驟，以及第8d圖係依據本發明之製造多層結構元件的另一個方法的步驟。

第1圖為多層結構元件100之示意圖。多層結構元件100具有一個基板1。基板1主要是有一個惰性的介電載體。「惰性」這個詞就知道，這個基板1的表面有高絕緣電阻。高絕緣電阻讓基板1的表面對例如分離具有Ni、Z、Ag或Ad金屬層的電熱程序不敏感。高絕緣電阻還讓基板1的表面更能耐受住侵入的媒體(aggressive Medien)，像是例如在焊接程序時使用的侵入性(aggressive)液體。侵入的媒體會侵蝕表面並造成不良的副作用，如短路及漏電。

基板1主要是一種多層陶瓷。基板1為一種LTCC陶瓷。基板1特別是一種玻璃陶瓷。

多層結構元件100還有多個功能陶瓷2，例如兩個、三個、五個或十個功能陶瓷2。功能陶瓷2是裝置在基板1內部。

功能陶瓷2完全被基板1圍住。功能陶瓷2在空間上是彼此分開的且電氣絕緣。

功能陶瓷2為一種HTCC陶瓷製。該功能陶瓷2可以是ZnO-Pr(壓敏電阻)、MnNiX(NTC陶瓷)、BaTiO₃(PTC陶瓷)或一種鐵氧體，是視該功能陶瓷2的期望功能及作用方式而定。因此，多個功能陶瓷2也可以有相同的 組合配置。功能陶瓷2還可以用來在基板1內實現各種不同期望的功能。

經由基板1的惰性表面，功能陶瓷2不會受到外在的影響。因此功能陶瓷的附加表面保護層(例如玻璃層或聚合物層)是多餘的。

第2圖是依據一個第一實施例之多層結構元件100的剖面圖。

特別是在第2圖中，說明一種多層結構元件100，其具有陶瓷基板1及一個整合裝置的移動壓敏電阻作為功能陶瓷2。功能陶瓷2為塑膠成型的壓敏電阻，例如SMD CU電阻或ThermoFuse電阻。

功能陶瓷2為圓盤形。功能陶瓷2是一種金屬圓盤。

功能陶瓷是一種圓盤壓敏電阻。例如功能陶瓷為ZnO-Pr製。

基板1有內電極4。內電極4是安裝在(無明確圖示)基板1的陶瓷層之間。內電極4是作為功能陶瓷2的電氣接觸之用。功能陶瓷2是裝在基板1內部區域的一個溝槽6(在此無明確圖示)中。內電極4延伸至這個溝槽6的邊緣，以電氣接觸功能陶瓷2。

功能陶瓷2具有外接觸3。外接觸3是裝在外表面上，在這裡是裝在功能陶瓷2的正面及底面上。外接觸3會涉及到功能陶瓷2正面上的金屬層。內電極4與外接觸3導電連接。

基板1的對向側表面還裝有外接觸5，用來與多層結構元件100電氣接觸。外接觸5交錯地與不同極性的內電極4電氣連接。

第2圖中所示的多層結構元件100是150℃時高溫使用。完全圍住功能陶瓷2的基板1，保護功能陶瓷2不會受到出現的高溫影響。基板1的惰性表面尤其是用來保護所整合安裝之最大使用溫度為85℃的移動壓敏電阻，不受高溫影響。

第3圖為依據第二實施例之多層結構元件100的剖面圖。在第3圖裝說明具有整合安裝低端電壓及電容、作為功能陶瓷2之SMD(surface mounted device)壓敏電阻的多層結構元件100。端電壓是在ESD-事件時和元件一種特定的脈衝電流一起出現。相同電流下，壓敏電阻上的端電流越高，則電力及最終壓敏電阻須接收的能量也就越大。因此，在端電壓較小時會達到較高的電流負載能力，以取得同樣的能量耗用。

多層結構元件100具有上述的基板1。功能陶瓷2是安裝或嵌裝在基板1內的一個溝槽6中。溝槽6在製造程序時可以讓功能陶瓷2裝入基板1中。溝槽6有一個經過燒結的導孔或一個經過燒結的基板1的單層層間電路接通。溝槽6特點在於其沒有完全貫穿基板1。因此，嵌裝在溝槽6中的功能陶瓷2全面地、也就是完全地被基板1的材料圍住。

視多層結構元件100上的配置而定，溝槽6 及/或功能陶瓷2的製作可以讓功能陶瓷2被基板1圍住，在基板1材料及功能陶瓷2之間不留縫隙(見第2圖)。

溝槽6的製作，還可以在功能陶瓷2及基板1材料之間留一個間隙(見第3圖)，在多層結構元件100製成之後還可以看到溝槽6。這是有需要的，在功能陶瓷2的材料和基板1兩者的膨脹係數不同時，才能避免在再加工處理(例如焊接時)時多層結構元件100裂開或損壞。

在這個實施例中，功能陶瓷2為球形。功能陶瓷2為一個壓敏電阻球。功能陶瓷2例如為ZnO-PrCo製。功能陶瓷2是一種經過燒結的ZnO-PrCo粒。功能陶瓷2的電容小。功能陶瓷的電容例如為0,5pF或小於0,47pF。功能陶瓷2直徑小於100μm，尤其小於或等於50μm。

功能陶瓷有一個規定的電場強度Ev=500V/mm。功能陶瓷2的介電係數epsilon高。例如eps=400。

相對地基板1的介電係數epsilon很低。基板的介電係數小於50，特別是要小於10。尤其eps=7或eps=7,5。基板1的低介電係數是用來抑制基板1的寄生電容。

基板1的寄生電容約在0,47，低於依據現有技術之標準載體基板的寄生電容eps=400。

基板1還具有第2圖所述的內電極4。最後在基板1的相對側面上安裝外電極5，以電氣接觸多層結構元件100。

內電極4是用來電氣接觸功能陶瓷2，並延伸到溝槽6的邊緣，以電氣接觸功能陶瓷2。視功能陶瓷 的結構設計而定，各內電極4可以有不同的形狀(見第4圖及第5圖)。例如在功能陶瓷輸入區域中的各個內電極4是一種狹窄形4b(第5圖)。這在功能陶瓷2是球形時是特別有利的。各內電極4經狹窄部位4b目標明確地且確切地與功能陶瓷2電氣連接。各個內電極4還可以有一個橋形接片4a或與功能陶瓷2電氣接觸的橋形連接區域(第4圖)。這在功能陶瓷2的水平膨脹係數較大時(也例如是橢圓形時)是有利的。然而也能設想到，內電極4的其他結構設計是用來連接功能陶瓷2。

第6圖是依據第三實施例之多層結構元件100的剖面圖。在第6圖中說明以具有整合安裝ESD保護之LED載體形式的多層結構元件100。以下僅說明與第2至5圖所述之多層結構元件100的差異。

多層結構元件100有一個熱源10，例如LED。熱源10是經由熱源10的底面上的接觸面9(例如導電的金屬層)與基板1的外接觸5導電連接。在這個實施例中，基板1正面上裝有外接觸5，並經由焊接8與各個接觸面9連接。

基板1有導孔或層間電路接通7。該層間電路接通7以垂直方向完全貫穿基板1。該層間電路接通7在基板1的正面上與一個外接觸5導電連接。在基板1的底面上還裝有其他的外接觸5，與各自的層間電路接通7導電連接。在這個實施例中，內電極4沒有延伸到基板1的側面上，而是與層間電路接通7導電連接。

基板1還可以有一個熱接觸11，例如供溫度感應器使用。

熱接觸11可以有一個充填金屬的導孔。

功能陶瓷2例如為球形，經過燒結，並裝入基板1內部的溝槽6，讓功能陶瓷2全面地為基板1的金屬所包圍。在這個實施例中，功能陶瓷2是作為ESD-保護結構。功能陶瓷2是壓敏陶瓷晶片。防過壓的熱源10(例如可以經由ESD-脈衝解開)是非常敏感的，藉由功能陶瓷2之助有效地防止電流脈衝或電壓脈衝(電壓突升)。

第7圖為依據第四實施例之多層結構元件100的剖面圖。在第7圖中說明具有整合安裝ESD保護及溫度感應器之LED載體形式的多層結構元件100。

以下僅說明與第6圖所述之多層結構元件100的差異。與第6圖的多層結構元件100不同是在基板1中加嵌第二功能陶瓷2。兩個功能陶瓷2在空間上是彼此分開的，且各自完全地被基板1的金屬圍住。

第一功能陶瓷2(第7圖中於基板1下面區域中所示)是用來作為ESD-結構，並防止熱源10(例如LED)過壓。

第一功能陶瓷2是作成壓敏電阻晶片。

第二功能陶瓷2(第7圖中於基板1上面區域中所示)是作為熱敏電阻(NTC-Thermistor)。第二功能陶瓷2是NTC溫度感應器。基板1具有熱源11。熱源11與第二功能陶瓷2導電連接。熱源11是作成導孔/層間電路 接通的形式。層間電路接通從基板1的正面延伸到第二功能陶瓷2。

經由將功能陶瓷2完全嵌入惰性介電的陶瓷載體(基板1)中，具有完全不同特性(例如燒結溫及膨脹係數)的功能陶瓷2可以一起裝入基板1中。因此可以實現極度適合及彈性投入使用之多層結構元件100。

以下說明第8a至8d圖中之一種製造多層結構元件100的方法。所有在第1至7圖所述之特徵皆適用於該方法，反之亦然。

在第一個步驟中，製造一種功能陶瓷2。視對於多層結構元件100的規格要求而定，來製造多個不同的功能陶瓷2。

依各個多層結構元件100的使用目的，可以製造非常不同的功能陶瓷2。所有的功能陶瓷2都一樣，在裝入基板1之前要先燒結。

例如使用陶瓷粉末並摻入添加物(例如ZnO)製造功能陶瓷2。接著燒結粉末。在大於等於1000℃或小於等於1300℃的溫度(例如在1100℃)進行燒結。經由這個程序產生燒結顆粒形狀的功能陶瓷2，作為SMD壓敏電阻使用。

若功能陶瓷2是作成壓敏電阻晶片，則就這項製造從(如上所述)燒結的顆粒製備、過篩和壓製一種粒料。接著經燒結壓製好的粒料(1000℃T1300℃)，加工處理成圓盤形的壓敏電阻晶片。接著藉由濺射或網印將 壓敏電阻晶片金屬化。

在下一個步驟中，製備用來製成基板1的LTCC生片。生片含有陶瓷粉末、接著劑及玻璃成份。生片15彼此相疊形成一個層疊。經由雷射蝕穿或沖孔在生胚15中至少作出一個溝槽6。溝槽是用來在之後的方法步驟中將功能陶瓷2裝入生料層疊16中。在生胚15中裝置的溝槽6的數量要配合製成之多層結構元件100中的功能陶瓷2的數量。

在下一個步驟中，在至少一部份的生片15上製備(例如印製)用來作成內電極4的金屬結構。在已製作的生片15疊在一起之前塗覆金屬結構。金屬結構為例如Ag、Cu、Pd製或其組合。可以在一個連接功能陶瓷2的連接區域中形成金屬結構，如第4圖及第5圖中所述。

接著將至少一個功能陶瓷2裝入溝槽6中(第8a圖)。溝槽6與功能陶瓷2組裝在一起，接著將其夯實。

在下一個步驟中，製備生料狀態的陶瓷覆膜13(第8a圖)。其裝在生片15層疊的正面和底面上。覆膜13沒有裝入溝槽6，這樣功能陶瓷2才能被全面地被陶瓷材料圍住。將生片13、15堆疊及壓製成一個層疊16(第8b圖)。

經由沖孔或雷射(蝕穿)程序，在生片13、15中作出層間電路接通7要用的溝槽。

這個溝槽從生片15及覆膜13完全貫穿生料層疊16。為作出層間電路接通7，在燒結步驟之後用一種 連接材料填入溝槽(例如從溶劑分離金屬)將溝槽完全填滿。金屬含有或為銅、銀及/或鈀。

在下一個步驟中，燒結生料層疊16(第8c圖)。在低於功能陶瓷2的燒結溫度之溫度進行生料層疊16的燒結。生料層疊16的燒結溫度為150℃，低於功能陶瓷2的燒結溫度。燒結溫度介於750℃及900℃之間，包含限值。在800℃或850℃進行生料層疊16的燒結。在明顯低於1000℃以下的溫度燒製LTCC陶瓷，不會影響功能陶瓷2的顆粒結構。可以經由適當選用LTCC陶瓷及進行燒結(大氣壓Atmosphere)以繼續保留功能陶瓷2的功能性。

燒結會造成生片13、15收縮。適當地選用限定往z-方向收縮和往x及y-方向稍微收縮的LTCC陶瓷，以便能夠無裂縫地封裝功能陶瓷2。

在最後一個步驟中，製備燒結後生料層疊16上的外接觸5。

焊膏14至少要塗在外表面的部份區域上(第8d圖)，並接著進行燒製。

在此說明的標的說明不限於單一特定的實施型式。其實某些實施型式的特徵是可以隨意互相組合-只要這些在技術方面是合理的。

1‧‧‧LTTC陶瓷/基板

2‧‧‧功能陶瓷

3‧‧‧外接觸

4‧‧‧內電極

5‧‧‧外電極

100‧‧‧多層結構元件

Claims (11)

1. 多層結構元件(100)，具有-惰性陶瓷基板(1)及至少一個功能陶瓷(2)，其中-該功能陶瓷(2)完全被該陶瓷基板(1)圍住，以及-該功能陶瓷(2)具有壓敏電阻、NTC陶瓷、PTC陶瓷或鐵氧體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多層結構元件(100)，該陶瓷基板(1)為LTCC陶瓷。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之多層結構元件(100)，該多層結構元件(100)具有多個功能陶瓷(2)。
4. 如申請專利範圍第3項所述之多層結構元件(100)，該功能陶瓷(2)具有不同的膨脹係數及/或不同的燒結溫度。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的多層結構元件(100)，該至少一個功能陶瓷(2)為HTCC陶瓷。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的的多層結構元件(100)，該功能陶瓷(2)作為ESD-保護元件。
7. 一種製造多層結構元件(100)之方法，具有下列步驟：-製造功能陶瓷(2)；-提供具有至少一個溝槽(6)的LTCC生片(15)；-在該生片(15)的一個部位上製備電極結構； -將該功能陶瓷(2)裝入該溝槽(6)中；-提供生料狀態的覆膜(13)；-堆疊及將該生片(13、15)壓成生料層疊(16)；-燒結該生料層疊(16)；-在該燒結的生料層疊(16)的外表面上製備外接觸(5)，其中-為製造該功能陶瓷(2)，提供噴霧顆粒、陶瓷粉末及/或生胚以及-接著燒結該噴霧顆粒、該陶瓷粉末及/或該生胚。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，藉由沖壓該生片(15)或進行雷射預製該溝槽(6)。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，在高於或等於1000℃的溫度燒結該功能陶瓷(2)。
10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述的方法，在低於該功能陶瓷(2)之燒結溫度的溫度燒結該生料層疊(16)。
11. 如申請專利範圍第7至10項中任一項所述的製程，在低於或等於900℃及高於或等於750℃燒結該生料層疊(16)。