TWI454378B - 多層元件及製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於包括變阻器之陶瓷多層元件(ceramic multilayer component)，並且關於該元件的製造。
具有變阻器功能之離散元件可用以作為防止靜電放電(electrostatic discharge；ESD)之保護元件。一可能的用途在於例如用於行動射頻之射頻濾波器(radio-frequency filter)中，舉例而言，於0.5至5GHz之頻率範圍內用以保護這些濾波器，或者用於保護下游或上游所連接之電子裝置(如信號放大器)。
藉由防止靜電放電之保護功能，這些元件也能夠同時達到防止電磁干擾(EMI)之保護功能。因此，包含所謂的電磁干擾-靜電放電(EMI-ESD)保護元件。
變阻器最重要的一項性質係所謂的反向電流(reverse current)，反向電流也導雜(conduct away)於變阻器電極之間之過電壓(overvoltage)下。過高的反向電流會對於功能性造成限制；尤其對於可攜式裝置(如行動電話)而言，可能造成可充電電池的過度快速放電。再者，於該元件以及尤其是合併有該元件之裝置之使用壽命(lifetime)期間必須確保電性性質具有足夠之穩定度。
尤其對於可攜式裝置而言，所使用元件之微型化(miniaturization)以及尤其是將不同元件功能整合於共同元件中係亟待努力的。然而，迄今未有方法能夠將變阻器整合於單體陶瓷多層元件(monolithic ceramic multilayer component)中，而於製程中不會遭遇變阻器之電性性質之過高的衰減。變阻器陶瓷對於組成成分之擴散(diffusion)係敏感的，而因此迄今未有方法能夠將變阻器陶瓷與其他陶瓷以燒結之形式共同燒結(co-sinter)在一起以形成單體元件。
第DE 102 006000935 A1號文獻揭露了一種方法，藉由此方法能夠利用拉張層(tensioning layer)將陶瓷功能層(ceramic functional layer)共同燒結在一起以形成單體多層元件，其中該等拉張層係以具有些微翹曲(warpage)之玻璃陶瓷(glass ceramic)為基礎。該變阻器陶瓷於燒結期間同樣發生不容許發生之衰減。
因此，本發明之目的係提供一種單體陶瓷多層元件，其中除了變阻器功能以外也整合至少一種其他元件功能，而不致因此不容許地減弱該變阻器之功能性。
上述目的係根據本發明利用如申請專利範圍第1項所述之多層元件而達成。由進一步之申請專利範圍能夠集合得到有利的組構及製造方法。
根據本發明係提供一種介電陶瓷材料，能夠與變阻器陶瓷共同燒結以形成單體多層元件。因此，該多層元件包括至少一變阻器陶瓷層以及另一介電質層。於該多層元件中，該變阻器陶瓷層和該介電質層兩者均可直接佈設成彼此相鄰近。於燒結期間，於最佳情況下，該變阻器陶瓷層和該介電質層之間的交互擴散(interdiffusion)之發生係限定於該兩層之間典型上為1微米(μm)之狹小反應區(reaction zone)內，藉此於最差情況下，該變阻器之電性性質並未顯著減弱。於該多層元件中，保留了關鍵之變阻器性質，如低反向電流與高脈衝穩定度。
於該多層元件中，於該等陶瓷層上或之間佈設有鍍金屬(metallization)，該等鍍金屬之結構形成導體區塊(conductor section)與金屬化區域。該等鍍金屬與該等陶瓷沿著變阻器共同形成至少一個其他元件，該其他元件係選自具有電容、電阻及電感功能之元件之至少其中一者。
該等內側鍍金屬係於燒結之前引進；也能夠於該多層元件之燒結步驟之後製造或施加佈設於外側層或者側表面上之鍍金屬。係佈設於該多層元件之不同平面中的導體區塊與金屬化區域能夠藉由貫孔(via)穿透一層或多層而彼此電性連接。因此，於該多層元件中，所有經整合之個別元件彼此間均可電性互連(interconnect)並且共同製造功能性電路，例如：射頻濾波器(RF filter)電路。
根據本發明所能夠達成之不同元件功能之單體整合能夠製造出節省空間與成本之元件。
該介電質係由下列三種化學計量之化合物以不同分量比例所構成：Zn3
TaO8
、Zn2
TaO6
、以及Bi2
Zn2/3
Ta4/3
O7
。該混合物含有上述化合物之至少一種。
於進一步之組構中，該等化合物中個別離子之化學計量可部分被取代。因此，可藉由鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鎂(Mg)及鈣(Ca)之其中一者或多者部分取代鋅(Zn)。較佳的情況是，藉由該等離子之其中一者或多者取代鋅(Zn)達最多約30原子百分比之程度。也可藉由鈣(Ca)和鎂(Mg)取代鋅(Zn)達100%之程度。
可藉由鈮(Nb)部分取代鉭(Ta)。然而，較佳的情況是，該等化合物中僅有相對較少部分之鉭(Ta)被取代。具有太多鈮(Nb)會造成風險，而於個別情況下使得燒結溫度變得太低以及擴散變得太強。
可藉由所選定之一種或多種稀土族元素(尤其係選定自鑭(La)和釹(Nd))部分取代鉍(Bi)。較佳的情況是，藉由該等離子之其中一者或多者取代鉍(Bi)達最多約30原子百分比之程度。
利用可能的替代物，可依據以下經驗方程式得到介電質之組成：(Zn(3-3x)
M3x
Ta(1-y)
M’y
O8
)k
(Zn(2-2x)
M2x
Ta(1-y)
M’y
O6
)m
(Bi(2-2z)
SE2z
Zn(2/3-2x/3)
M(2x/3
Ta(4/3-4y/3)
M’4y/3
O7
)n
。
於此經驗方程式中，指數總和代表純相(pure phase)化合物之比例，其中k+n+m=1，每一個指數k、m、n彼此獨立：0k,m,n1。此方程式並未考量到能夠於燒結期間添加重量占高達百分之五且能夠適應收縮作用(shrinkage behaviour)之成分至該介電質。
於此經驗方程式中，M代表鎳(Ni)、鈷(Co)或者鈣(Ca)。M’代表鈮(Nb)或銻(Sb)。SE代表一種或多種之稀土族元素。對於每一個指數x、y及z而言(於各種情況下均正規化為1)均分別指出該等離子取代相對該初始化合物之比例，彼此獨立適用於下列條件：0x,y,z<1。如此一來，意指並非取代所有的初始離子(starting ion)之比例，或者甚至完全不取代。
較佳的情況是，如上所述，x和z之最大限制為0.3，而y之最大限制為0.5。
於該多層元件之經燒結介電質中，依據所使用之三種化合物之確切成分(precise composition)能夠觀察得到相對應之獨立純相(separated pure phase)與三元混相(ternary mixed phase)。也能夠形成立方體結構單元(cubic structural unit立體結構單元)。
該變阻器陶瓷能夠以經摻雜氧化鋅之基本成分為基礎。該氧化鋅於各種情況下可利用鉍(Bi)和銻(Sb)作為主要摻雜物(main dopant)而摻雜達大約3至5個原子百分比(atom%)之程度。鎳(Ni)、鈷(Co)及鉻(Cr)之至少一者也能夠以高達約0.5個原子百分比之比例作為次要摻雜物(secondary dopant)。
可發現到，以經摻雜氧化鋅與氧化鐠之基本成分為基礎的變阻器陶瓷也能夠適用於該介電質，並且能夠同樣地與該提出的介電質燒結在一起而並未顯著限制該變阻器之功能性。
該變阻器陶瓷產生大約400之介電常數。該介電質之介電常數一般而言係介於20至100之間，而因此相較於該變阻器陶瓷低了5至10之因子(factor)。對於能夠由該變阻器所實現之元件功能而言，該變阻器陶瓷之介電常數造成較廣的選擇範圍，而實際上能夠設定所有對於元件功能有利的數值。藉由與純變阻器陶瓷做比較，本發明所提出之變阻器陶瓷原則上也能夠單獨使用作為介電質，因此能夠顯著增進並改善電路設計的變化性(variability)。
於該單體塊中，能夠將經結構化並形成該等整合之電感L和電容C元件之鍍金屬佈設於鄰近該介電質層之一者及兩側上，並且利用該介電質層作為介電質。然而，於該多層元件中也能夠形成利用變阻器陶瓷作為介電質之元件。
該多層元件需要950至1300℃之燒結溫度。因此，僅有相對應之抵抗金屬(resistant metal)與合金能夠適合作為該等鍍金屬之電極材料。該等鍍金屬能夠以導電漿(conductive paste)製造，該導電漿之金屬化組成成分包括例如銀(Ag)/鈀(Pd)合金或者金(Au)。由於高燒結溫度，故並不適合採用純銀。
於該多層元件中，包括該變阻器陶瓷和介電質之層能夠於該多層元件之堆疊中直接佈設成彼此相鄰近或者其中一者係放置於另一者之上。多層元件可具有夾層結構(sandwich construction)，其係佈設於變阻器陶瓷之相同類型之兩層之間或者佈設於該介電質層與其他個別介電質層或變阻器陶瓷層之間，其中，該夾層結構中之層之其中一層係直接佈設於另一層之上。
倘若排除該多層元件與該變阻器陶瓷直接接觸，則該多層元件也可包含一層或多層由其他材料所組成之其他異質層(foreign layer)作為局部層(partial layer)。
於該多層元件中，不同的被動元件係經整合，其中沿著變阻器亦整合有電阻R和電容C、電感L和電容C、或者電阻R、電感L和電容C元件。
於該多層元件中，由電阻R、電容C或電感L元件所組成之射頻濾波器電路係以整合的形式形成於該單體塊中，其中作為保護元件之該變阻器係相對於接地線(earth)而以並聯方式與該射頻濾波器電路連接。於此種電路佈設中，該變阻器實現了作為靜電放電保護和電磁干擾保護的兩種功能。利用其變阻器功能，能夠無害地將如常見之靜電放電之有害的電流脈衝導離。相反地，由於此設計，使得變阻器一般而言亦具有電容。利用電容相對於接地線並聯分支(parallel branch)，能夠因此實現具有阻帶(stop band)之基本濾波器功能。利用適當之尺寸或者藉由適當選擇該變阻器之電容值，能夠以適當方式選擇或設定該阻帶。因此，該變阻器也能夠作用為如同電磁干擾保護元件。
本發明另外提供一種用於製造多層元件之方法，其中係採用包含相對應陶瓷材料且具有正確化學計量比例之離子之初始材料進行製造，通常而言係氧化物或者能夠轉換成為氧化物之其他鹽類(salt)。尤其這些材料係盡可能藉由研磨(grind)而均質地混合。該研磨之後可緊接著鍛燒步驟並且重新研磨。利用黏合劑(binder)之輔助，該經均質地混合之初始材料係藉由例如板塗佈(sheet casting)以較佳地製造具相對應黏性(viscosity)之有機材料、用於由變阻器陶瓷所組成之層之第一生胚板(green sheet)、以及用於該介電質之第二生胚板。
在烘乾該等生胚板以後，該等鍍金屬係利用可燒結之導電漿而印刷於該等生胚板之一者及兩側上，例如藉由網板印刷(screen printing)。在那之後，至少個別有一個第一和第二生胚板，且其中一者係放置於另一者之上，相對於該等鍍金屬互相對準，並且壓合(laminate)在一起以形成板集合(sheet assemblage)。接下來，該板集合係燒結在一起。
用於製造電鍍穿孔(plated-through hole)之貫孔於壓合該等板以形成板集合之前係於對應之位置上沖壓(stamp)入該等生胚板中，並且以導電材料填充該等貫孔。
第1圖係顯示具有兩個層之多層元件的單體層集合：其中一層包括變阻器陶瓷VK，而另一層包括介電質D。為了清楚起見，並未描繪出形成該等層之鍍金屬或元件。利用此類鍍金屬能夠實現所有元件功能R、L和C以及變阻器，該等鍍金屬可佈設於該等層上或之間。通常，外部接點(external contact)係設置於其中一層(尤其係介電質)之其中一個面朝外之表面上，藉由該等外部接點與該多層元件中所包含之互連可連接至外部，尤其係連接至電路環境，例如：印刷電路板。
第2圖係顯示具有至少三個交替層之多層元件之單體層集合：由介電質D1所構成之第一層、變阻器陶瓷層VK以及由介電質D2所構成之第二層。
第3圖同樣顯示具有至少三個交替層之多層元件之單體層集合：由變阻器陶瓷所構成之第一層VK、介電質層DI以及由變阻器陶瓷所構成之第二層VK。
第4圖係顯示整合於該多層元件中之功能性電路之等效電路圖。包括濾波器電路FS之串聯信號路徑(serial signal path)係連接於第一和第二端點T1、T2之間。該濾波器電路係例如利用LC技術或一些其他能夠整合入陶瓷多層元件內之技術而體現出來。橫向分支(transverse branch)相對於接地線而以並聯方式與該信號路徑連接，於該橫向分支中佈設有變阻器V。於此情況下，該變阻器能夠利用其變阻器功能作用為靜電放電保護元件，並且利用其濾波器功能作用為電磁干擾保護元件。
第5圖係顯示具有能夠用以製造變阻器V之簡單例示鍍金屬之變阻器陶瓷VK所構成之層。為了此目的，彼此重疊且呈現經烘乾之導電漿形式之電極E1和E2係形成於由變阻器陶瓷VK所構成之層之頂部和底部。很明顯的，此變阻器V形成相當可觀的電容。該多層元件之多層結構MS之其他的層係由進一步的線條所指示。
第6圖係顯示具有能夠用以製造變阻器V之例示鍍金屬之變阻器陶瓷VK所構成之層。呈現經烘乾之導電漿形式之電極E1和E2係形成於由變阻器陶瓷VK所構成之層之頂部及/或底部，以互相間隔但是位於相同層表面(layer surface)上之方式形成。很明顯的，此變阻器V並未形成相當可觀的電容。該多層結構MS可包括由進一步的線條所指示之其他的層。
第7圖係顯示具有能夠用以製造變阻器V之例示鍍金屬之變阻器陶瓷VK所構成之層。於各種情況下，呈現經烘乾之導電漿形式之兩個電極E11和E21，以及E12和E22係分別形成於由變阻器陶瓷VK所構成之層之頂部及/或底部，以互相間隔位於個別層表面上之方式形成。與相同電極有關之鍍金屬E11和E21，以及E12和E22係分別藉由電鍍穿孔DK而彼此連接。現在，該變阻器之功能性可於兩電極對上生效。
對於該多層元件的所有實施例而言，每一個層可包括複數個相同類型之局部層，該等局部層之間分別佈設有經結構化之鍍金屬。因此，尤其對於該至少一個變阻器V或者電容器而言，能夠形成相對於該等層平面垂直站立且類似梳子狀的電極(comb-like electrode)，如同例如第8圖所示之具有兩個「齒(teeth)」之梳子狀電極。尤其利用指間相連交錯的梳子狀電極(interdigitally intermeshed comb electrode)，能夠實現用於電容器或變阻器之高電容值。
D．．．介電質
D1．．．介電質
D2．．．介電質
DK．．．電鍍穿孔
E1．．．電極
E11．．．電極
E12．．．電極
E2．．．電極
E21．．．電極
E22．．．電極
FS．．．濾波器電路
MS．．．多層結構
T1．．．端點
T2．．．端點
V．．．變阻器
V1．．．變阻器陶瓷
V2．．．變阻器陶瓷
VK．．．變阻器陶瓷
基於例示實施例並參考相關附加圖式，本發明於下文中進一步詳述。該等圖式僅係例示，並非真實比例。為了有助於清楚了解，圖式中個別元件可能以失真之比例描繪，且因此由該等圖式並不能夠推論出絕對和相對之量化指標，其中：
第1圖係顯示具有兩個層之第一單體層集合；
第2圖係顯示由三個層所組成之第二單體層集合；
第3圖係顯示由三個層所組成之第三單體層集合，該等層相對於第2圖具有反向佈設；
第4圖係顯示整合於該多層元件中之功能性電路之等效電路圖；
第5圖係顯示具有變阻器之多層元件之剖面圖；
第6圖係顯示具有變阻器之變化例之多層元件之剖面圖；以及
第7圖係顯示具有變阻器之進一步變化例之多層元件之剖面圖。
VK．．．變阻器陶瓷
D．．．介電質
Claims (15)
- 一種陶瓷多層元件，其係經燒結以形成單體塊，其中，該多層元件之其中一層包括變阻器陶瓷，而另一層包括介電質，其中，於該等層上或該等層之間佈設有鍍金屬，該鍍金屬之結構形成導體區塊與金屬化區域，其中，係藉由該鍍金屬與該等層實現變阻器和至少一個包括電容、電阻、或電感之其他元件，其中，重量占介電質至少95至100百分比之比例具有(Zn(3-3x )M3x Ta(1-y) M’y O8 )k (Zn(2-2x) M2x Ta(1-y) M’y O6 )m (Bi(2-2z) SE2z Zn(2/3-2x/3) M(2x/3) Ta(4/3-4y/3) M’4y/3 O7 )n 之組成，其中，總和k+n+m=1，且其中，每一個指數k、m、n均彼此獨立適用於下列條件：0k,m,n1其中，M代表鎳、鈷、鐵、銅、鎂或者鈣，其中，M’代表鈮或銻，以及其中，SE代表一種或多種之稀土族元素，其中，每一個指數x、y及z均彼此獨立適用於下列條件：0x,y,z<1，其中，(k,m,n,x,z)不等於(0,0,1,0,0)，其中，在該介電質之該比例低於100%的情況下，對於達到100%所缺少之比例包括適用於收縮作用之元件。
- 如申請專利範圍第1項之多層元件，其中，該變阻器陶瓷係以經摻雜氧化鋅之基本成分為基礎。
- 如申請專利範圍第2項之多層元件，其中，該變阻器陶瓷於各種情況下包含比例為2至3原子百分比之摻雜物，且該摻雜物係選自鉍和銻。
- 如申請專利範圍第2項或第3項之多層元件，其中，該變阻器陶瓷含有個別比例達0.5原子百分比之摻雜物，且該摻雜物係選自鎳、鈷及鉻。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其中，該鍍金屬係形成自經燒結之導電漿，並且包括銀和鈀。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其中，於該多層元件中之該變阻器陶瓷層與該介電質層之其中一層係直接佈設於另一層之上。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其具有夾層結構，係佈設於該變阻器陶瓷之相同類型之兩層間，或者佈設於該介電質層與其他個別介電質層或該變阻器陶瓷層之間，其中，該夾層結構中之該等層之其中一層係直接佈設於另一層之上。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其中，不同的被動元件係經整合，其中，沿著變阻器亦整合有電阻R和電容C、電感L和電容C、或者電阻R、電感L和電容C元件。
- 如申請專利範圍第8項之多層元件，其中，由電阻R、電容C或電感L元件所組成之射頻濾波器電路係以整合的形式形成於該單體塊中， 其中，作為保護元件之該變阻器係相對於接地線而以並聯的方式與該射頻濾波器電路連接。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其中，於該單體塊中，該等經結構化並形成該等整合之電感L和電容C元件之鍍金屬係佈設於鄰近該介電質層之一者及兩側上，並使用該介電質層作為介電質。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之多層元件，其中，該介電質具有介於15至100之介電常數。
- 一種製造如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之多層元件之方法，其中，以正確之化學計量比例設置有包含用於該變阻器陶瓷之初始材料之第一生胚板和包含用於如請求項1所述之該介電質之初始材料之第二生胚板，其中，該鍍金屬係利用可燒結之導電漿而印刷於該等生胚板之一者及兩側上，其中，至少個別有一個第一和第二生胚板，且其中一者係放置於另一者之上，相對於該鍍金屬而對準，並且壓合在一起以形成板集合，其中，該板集合係經燒結在一起。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，用於製造電鍍穿孔之貫孔於壓合該等板以形成該板集合之前係沖壓入該等生胚板中，並且以導電材料填充該貫孔。
- 如申請專利範圍第12項至第13項中任一項之方法，其中，該第二生胚板係利用金屬氧化物形式之該等初始材 料以所欲之化學計算比例所製造，並且藉由研磨將該等初始材料均質地混合。
- 如申請專利範圍第14項之方法，其中，於製造該等生胚板之前與研磨之後鍛燒該等初始材料，並接著再次研磨。
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