TWI750304B - 具有可撓性端子的電子組件 - Google Patents

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Abstract

本案提供一個包括本體和至少一個端子之電子組件，該端子用於將該本體焊接到該載體，該端子包括：安置在該本體的表面上之電極；形成在該電極上及/或由該電極環繞之釋氣層，其中，該釋氣層於加熱時係經配置以釋氣；以及形成在該釋氣層上之導電覆蓋層，其中，該覆蓋層電性連接至該電極，並以氣密方式在該覆蓋層和該電極之間密封該釋氣層。

Description

具有可撓性端子的電子組件
本申請案涉及電子組件，其包括本體和至少一個用於將本體焊接到載體(例如電子晶片型組件)之端子。
主動和被動電子晶片型組件通常用於電子設備中。絕大多數現代被動組件，例如電阻器、電容器、電感器、熱敏電阻器、壓敏電阻器以及熔絲都是無引線晶片組件，其包括形成為具有金屬化端部的剛性陶瓷平行六面體之晶片本體。金屬化端部用作組件的端子並焊接至載體，例如印刷電路板(PCB)。舉例而言，晶片之晶片本體的一側、三側或五側上的端子端部可經金屬化。
儘管無引線晶片組件更小，而且比具有引線和沖壓端子之傳統引線組件具有更高的帶寬和更低的價格，但它們也可以形成載體的堅固焊接接頭。載體的彎曲或振動可能導致此剛性焊接接頭中的疲勞裂痕，這導致晶片組件與板電性斷開及/或機械斷開。
除了板彎曲和振動之外，疲勞裂痕還可能由 周圍溫度循環引起，亦即，使載體經受極端和迅速的溫度變化。晶片組件主要係用陶瓷製造，陶瓷具有相對低的膨脹溫度係數(TCE，以ppm/K表示)。例如，氧化鋁陶瓷的TCE為約6ppm/K，而典型的玻璃-聚合物板的TCE為約18ppm/K。這些TCE值的差稱為TCE不匹配。由於組件通過寬的溫度範圍循環，TCE不匹配會導致晶片組件和電路板以不同的速率膨脹，從而導致焊接接頭中出現疲勞裂痕。
由於振動和溫度循環經常出現在汽車和航空航天應用中，已經努力抵消焊接材料的疲勞裂痕以及由此導致的晶片組件與載體的電性斷開和機械斷開。例如，在剛性晶片組件體上可提供可撓性引線或端子。然而，此等引線或端子增加了組件的尺寸和成本。
藉由以導電彈性樹脂膜塗覆端子電極，而也可以形成與板的可撓性連接。導電彈性樹脂薄膜係由複合材料、經金屬填充之聚合物製成，且係經鍍覆以形成可焊接的金屬鍍膜。為了利用導電樹脂薄膜的彈性，導電性樹脂薄膜上面的金屬層通常不與組件本體形成直接機械連接。缺少直接連接會導致電流依序流過鍍覆層、導電性樹脂層以及端子電極。然而，導電彈性樹脂膜的電阻率是非線性的，並且高於通常用於建構端子電極的金屬(例如鎳或銅)的電阻率數倍。與其中電流僅流過端子的金屬部分的晶片組件相比，這損害了晶片組件的電特性。
因此，仍然需要具有增進的電特性的更耐用 的晶片組件，特別是對於涉及溫度循環和振動的電子應用。
據此，電子組件包括本體和至少一個用於將本體焊接到載體之端子，該端子包括：安置在本體的表面上之電極；形成在電極上及/或由電極環繞之釋氣層，其中，該釋氣層於加熱(特別是在焊接溫度下)時，係經配置以釋氣；導電覆蓋層形成於釋氣層上，其中，覆蓋層為電性連接至電極(較佳為直接電性連接至電極，或經由導電中間層電性連接至電極)，並以氣氣方式在覆蓋層和電極之間密封釋氣層。
釋氣層意指形成釋氣層的材料，例如導電聚合物，在室溫處於安定狀態。當焊接期間加熱材料時，材料發生化學分解，釋放出氣體。舉例而言，當釋氣層的材料係經金屬填充(諸如經金屬填充之聚矽氧)之聚合物時，其熱分解(亦即破壞)可能導致水蒸汽、二氧化碳和氣態有機化合物之逸出。
焊接溫度(亦即，用於安裝組件並將其電連接到載體上的焊料的熔化範圍)會取決於焊接材料而不同，例如典型無鉛焊料的熔化溫度範圍為211℃至220℃。釋氣溫度是形成釋氣層的材料的性質，並且較佳為高於室溫。
釋氣層可以完全形成在端子的電極上，或者可以(部分或完整地)形成在電子組件的本體、電極、或電極包圍釋氣層的部分上，致使其可與覆蓋層一起形成氣密之密封。當將本體焊接到載體上時，釋氣層係經覆蓋層密 封，以在電極和覆蓋層之間形成經密封之氣體體積。特別地，一旦釋氣層已經加熱到釋氣層溫度，則釋放釋氣層經分解所產生的氣體。然而，由於係以氣密方式在覆蓋層和電極之間密封釋氣層，因此，覆蓋層膨脹以形成中空、可撓性外殼。可撓性意指覆蓋層可以膨脹，並由此彎曲及/或在不破裂下進行一定程度的拉伸。覆蓋層可為、但不一定是彈性的，亦即，在組件經加熱至焊接溫度之前能夠恢復其原始尺寸。
可撓性外殼可減少由電子組件和載體之間的TCE不匹配以及載體的機械彎曲引起的焊接接頭在端子和載體(例如PCB)之間的機械應力。結果，與具有剛性焊接接頭的晶片組件相比，所安裝的電子組件能夠承受更高數目的熱循環和振動，這增加了電子裝置的整體可靠性。此外，所述端子設計提供了不會實質增加電子組件的整體尺寸之可撓性端子。
此外，所提出的端子設計可確保電流流過金屬元件，但不是保持端子的高電線性和導電性之複合元件。這導致安裝的組件的電特性得到改善。
申請專利範圍第1項所述電子組件可為電子晶片型組件，其於端子之如一側、三側或五側上具有金屬。
根據一個具體例，形成本體的材料包含陶瓷，例如氧化鋁陶瓷。雖然本揭示內容主要涉及基於陶瓷的組件，該概念適用於可能導致電子組件本體與載體之間之TCE不匹配的材料的任何組合。如此，在本發明的範疇 內，本體可以包括任何其它種類的基板。所涉及的材料可以包括混合陶瓷基板、不基於陶瓷的組件或材料的任何其他合適的組合(例如金屬和非金屬材料的組合)中的任何一者。例如，本體可以由一個組件(例如，鉭電容器)形成，該組件藉由絕緣化合物共形塗覆或模製，並具有金屬化端部(亦即，端子)。另一個例子可為具有多層陶瓷電容器或多層壓敏電阻器的金屬化端部之本體。
根據另一個具體例，覆蓋層包含具有彈性模數之材料，該彈性模數高於釋氣層所包含之材料的彈性模量。較佳地，覆蓋層所包含的材料的彈性模數高於釋氣層所包含的材料的彈性模數數倍。舉例而言，包含鉻的覆蓋層具有約200GPa的彈性模數，而包含經金屬填充之聚合物的膠凍狀聚合物釋氣層具有約0.01MPa的彈性模數。當覆蓋層膨脹時，釋氣層的相對低的彈性模數使覆蓋層自由彎曲。
根據另一具體例，釋氣層和覆蓋層之間的黏著性大於釋氣層和電極表面之間的黏著性。與電極表面相對低的黏著性使釋氣層與電極表面分離，從而使覆蓋層膨脹以形成中空可撓性外殼，同時維持黏著膨脹後的覆蓋層。
如上述，在一個具體例中，釋氣層可以包括導電聚合物。
根據另一具體例，釋氣層包含經金屬填充之聚矽氧，例如已知在高於250℃的溫度充分釋氣的經銀填充之聚矽氧。或者，形成釋氣層的材料可以包括任何可鍍 覆的非安定材料，其在焊接溫度分解和逸出氣體。釋氣層是導電的，並且可以通過覆蓋層與電極的任何暴露的部分一起鍍覆。
根據一個有利的具體例，覆蓋層是可撓性的，以允許變形並且當釋氣層脫氣時保持氣密性。根據一個具體例，形成覆蓋層的材料包括、但不限於銅及/或鎳。覆蓋層還用作浸出屏障，以防止電極的暴露部分在焊接過程中於熔融焊料中溶解。
根據另一個具體例，釋氣層沉積在電極遠離晶片本體之表面上，該電極表面包括未經釋氣層覆蓋的密封界限(例如，緣邊)，且覆蓋層於該密封界限電性連接至電極。經暴露之密封界限在電極表面和覆蓋層之間提供特別氣密之密封和金屬導電。較佳地，密封界限在釋氣層周圍形成封閉的圓周。
根據另一個具體例，電子組件進一步包括經鍍覆之精加工層，其促進焊接並沉積在覆蓋層上(特別是在覆蓋層的一部分或多個部分上或在完整覆蓋層上)。經鍍覆之精加工層可能包括、但不限於錫、錫-鉛合金或金。
根據另一個具體例，釋氣層係藉由網印至一個或多個電極表面上而經配置。或者，釋氣層可藉由在導電聚合物油墨中浸泡而形成。這兩個替代性具體例都能夠使用用於製造傳統無引線晶片組件的相同設備和主要材料來製造可撓性端子。
如所解釋的，根據前述具體例中的任一個的 電子組件(亦即，具有形成在電極上之釋氣層並且具有形成在釋氣層和電極之覆蓋層)係用於將電子組件焊接到載體，其中該電子組件的該釋氣層在焊接過程中釋氣，並且使覆蓋層膨脹以在電極和覆蓋層之間形成經氣體填充之體積。
此外，提供包括電子組件和載體的設備，其中根據前述實施例中任一者的電子組件通過焊接接頭連接到載體，其中在該電極和該覆蓋層之間形成經氣體填充之體積。
此外，提供了一種將根據前述具體例中任一者的電子組件焊接到載體的方法，其包括以下步驟：提供電子組件；提供具有至少一個連接墊之載體；以及將電子組件的至少一個端子焊接到載體的至少一個連接墊上，其中該至少一個端子的釋氣層釋氣，並在至少一個端子之電極和覆蓋層之間形成經氣體填充之體積。
焊接後，釋氣層不起作用，且對端子的機械或電氣性能也沒有可察覺的影響。在本發明的範疇內，因此必須使釋氣層形成在端子的電極上，亦即，這只是允許更容易製造的較佳具體例。然而，為了以氣密方式在覆蓋層和電極之間密封釋氣層之目的，原則上若釋氣層至少係由電極環繞，特別是以封閉方式中圓周環繞即可。例如，釋氣層可以部分地或完全地安置在電子組件的本體的表面上。
為了解釋的目的，下圖中顯示了電子組件的 數個具體例。
100、200、300‧‧‧電子組件
102、202、302‧‧‧晶片本體
104、204、304‧‧‧下電極或電極
105、305‧‧‧緣邊部分
106‧‧‧上電極
108‧‧‧正面金屬
110、210、310‧‧‧釋氣層或導電聚合物層
112、212、312‧‧‧覆蓋層或經鍍覆之阻障層
112e、212e、312e‧‧‧經鍍覆之阻障層之邊緣部分
114、214、314‧‧‧經鍍覆之精加工層
116‧‧‧焊接接頭
118‧‧‧焊墊
120、220、320‧‧‧中空可撓性外殼
120e、220e、320e‧‧‧中空可撓性外殼之邊緣部分
122‧‧‧疲勞裂痕
第1A圖顯示了在安裝在載體上之前，穿過晶片組件的一個具體例的端子的局部橫截面圖，其中金屬形成在該晶片組件的三側。
第1B圖顯示了安裝在載體上之後，穿過第1A圖的組件的局部橫截面圖。
第1C圖顯示了在施加循環應力之後，穿過第1B圖的組件的局部橫截面圖。
第2A圖顯示了在安裝在載體上之前，穿過晶片組件的一個具體例的端子的局部橫截面圖，其中金屬形成在該晶片組件的一側。
第2B圖顯示了安裝在載體上之後，穿過第2A圖的組件的局部橫截面圖。
第2C圖顯示了在施加循環應力之後，穿過第2B圖的組件的局部橫截面圖。
第3A圖顯示了在安裝在載體上之前，穿過晶片組件的一個具體例的端子的局部橫截面圖，其中金屬形成在該晶片組件的五側。
第3B圖顯示了在安裝到載體上之後，穿過第3A圖的組件的局部橫截面圖。
第3C圖顯示出了在施加循環應力之後，穿過第3B圖的組件的局部橫截面圖。
圖式和以下描述使用對於各種具體例共同的組件的元件符號(相同的元件符號或以100增加)。
第1A至1C圖顯示了穿過包括晶片本體102和用於將晶片本體102焊接到載體(例如，電路板或PCB)的晶片端子的電子組件的局部橫截面圖，該晶片端子係由第1B和1C圖中的焊墊118所示意地表示。第1圖的電子組件具有三面金屬，所以晶片端子包含下電極104、上電極106、以及電性連接上電極和下電極104、106的正面金屬108。標號“上”是指從晶片本體102遠離載體的一側，而“下”是指晶片本體102朝向載體的一側。類似地，儘管第1圖僅示出組件的局部橫截面圖，但應理解，圖中未顯示的組件端部可具有與第1A至1C圖相同的配置。
下電極104提供有釋氣層，該釋氣層係由將一層可鍍覆的導電聚合物層110沉積在下電極104的表面而形成，使得釋氣層(導電聚合物層110)形成在電極(下電極104)上且由電極環繞。導電鍍覆層係由經鍍覆之阻障層112形成，沉積在導電聚合物層110的外表面上(導電聚合物層110之遠離下電極104的表面)，沉積在下電極104的暴露部分上，沉積在正面金屬108上，以及沉積在上電極106上。阻障層112電性連接至下電極104，並以氣密方式在阻障層112和下電極104之間密封導電聚合物層110。阻障層112係經促使將組件100焊接到電路板之經鍍覆之精加工層114塗覆。
如第1B圖所示，藉由在端子和提供在載體上 之焊墊118之間形成的焊接接頭116，第1A圖的組件被安裝到載體上，這導致精加工層114的一部分溶解成焊料116(第1B和1C圖)。在焊接過程中，端子的溫度升高，造成導電聚合物層110在形成於阻障層112和下電極104之間之密封空間內釋放氣體，亦即，釋氣。釋放的氣體使阻障層112膨脹，以形成中空可撓性外殼120。為此，形成導電覆蓋層(經鍍覆之阻障層112)的材料具有足夠的可撓性。
中空可撓性外殼120的尺寸基本上由選用為導電聚合物層110的體積和材料所決定，其決定了當加熱聚合物層110至釋氣溫度時釋放的氣體量。中空可撓性外殼120包括由阻障層112的邊緣部分112e界定的邊緣部分120e。邊緣部分112e形成的界限對應於中空可撓性外殼120的密封界限，於此處阻障層112和下電極104的表面的邊緣部分105(第1A圖)之間有直接接觸，並且對應於阻障層112的可撓性部分和阻障層112的剛性部分之間的分界。如第1B圖所示，焊料116最初皆連接至阻障層112的剛性部分和可撓性部分。
當所選擇之形成導電聚合物層110的材料對阻障層112具有比對下電極104的表面更高的相對黏著力時，易於形成中空可撓性外殼120。換句話說，導電聚合物層110對電極表面具有低的黏著性，這造成當導電聚合物層110釋氣時，導電聚合物層110與電極104分離，並維持在阻障層112上方。
第1C圖顯示了一旦已形成焊接接頭116，整個組合件可以經受溫度循環及/或振動，造成在焊接接頭116和阻障層112之間形成裂痕122。循環次數的增加導致裂痕122沿著包括阻障層112的部分112e的端子的剛性界面擴散。裂痕122的持續擴張導致中空可撓性外殼120的邊緣120e暴露。一旦中空可撓性外殼120之邊緣部分120e已暴露，組件100的晶片端子僅經由阻障層112的可撓性部分電性和機械連接至焊料116，形成端子與焊墊118的可撓性連接。連接的可撓性質降低了焊接接頭中的機械應力，阻礙了裂痕122的進一步擴散，並提高了連接承受循環應力的整體能力。
同時，保持電連接，並且電流仍然能夠經由由金屬製成的導電體112從端子104、106傳遞到載體(電路板)之焊墊118，並且因此具有金屬型(高和線性)導電性。以這種方式，電子組件100提供機械可撓性端子，但不損害組件100的電特性。以此方式，就保證了可撓性端子的高導電性和線性度。
第2A至2C圖基本上對應於第1A至1C圖，但是顯示了電子組件200的進一步實施例，該電子組件200僅在晶片端子的一側具有金屬。因此，組件200僅包括於其上分別沉積釋氣層(導電聚合物層210)和覆蓋層(經鍍覆之阻障層212)的下電極204。再次，阻障層212係由精加工層214塗覆。如第2B圖中所示，當端子(特別是導電聚合物層210)於焊接期間加熱時，導電聚合物層210釋氣， 造成阻障層212形成中空可撓性外殼220。如第2C圖中所示，因為阻障層212的可撓性部分保留了焊接接頭116和下電極204之間的機械和電連接，由於溫度循環及/或振動引起的焊接接頭116和阻障層212之間形成的裂痕122免於沿著整個端子擴散。
第3A至3C圖顯示了在端子的五側具有金屬的電子組件300的進一步具體例。該端子包括電極304，該電極304圍繞晶片本體302的端部之圓周且完全覆蓋其前表面。釋氣層(導電聚合物層310)形成於電極304的前表面、及上、下以及兩側表面之部分上(排除邊緣部分305)，因此包圍晶片本體302之邊緣和端子(而第1和2圖中所示具體例的導電聚合物層310僅安置在個別的下電極104、204上)。覆蓋層(阻障層312)沿著層310的邊緣沿著晶片本體302的完整圓周，完整覆蓋導電聚合物層310和電極304的邊緣部分305。
由於導電聚合物層310的配置，因此阻障層312的邊緣部分312e安置在晶片本體302的上、下以及兩側表面上。當焊料116未延伸到晶片端子的上表面上時，只有提供在晶片端子的下側的邊緣部分312e(以及可能提供在兩側表面上的邊緣部分312e的部分)與焊料116接觸。因此，當電子組件300受到機械及/或熱應力時，裂痕122基本形成在晶片端子的底側上(第3C圖)。氣體體積主要形成在晶片本體302的前表面，但延伸到上、下以及兩側表面。焊接接頭16於晶片本體302的前表面和中空可撓 性外殼320保持接觸(如第3C圖的左側部分所示)，以及與晶片本體302的下和兩側表面的部分保持接觸。
第1至3圖所示的具體例可以、但不一定是使用現有晶片製造技術製造的。對於在一側或三側具有金屬之組件100、200，導電聚合物層110、210可為如網印至下電極104、204的外表面的中間部分上。導電聚合物層110、210的網印步驟較佳為在製造組件100、200期間的最終網印操作。
相反地，導電聚合物層310可藉由將電極304浸泡入導電聚合物油墨中，而沉積在於五側有金屬之電子組件300上。浸泡步驟較佳在鍍覆端子之前進行。此外，較佳在浸泡步驟期間確保電極304的邊緣部分305仍未經導電聚合物油墨覆蓋。
在沉積導電聚合物層110、210、310之後，施加阻障層112、212、312以在電極104、204、304和阻障層112、212、312之間密封聚合物層110、210、310。具體地，邊緣部分112e、212e、312e形成密封界限，於此處電極104、204、304(緣邊部分105、305)與阻障層112、212、312之間有直接接觸。在已施加阻障層112、212、312之後，將視需要的精加工層114、214、314鍍覆在阻障層112、212、312上以完成晶片端子。
在沉積導電聚合物層110、210、310之後進行製造步驟之期間，將組合物100、200、300的溫度保持在導電聚合物層110、210、310的釋氣溫度下，直到發生 焊接為止。
100‧‧‧電子組件
102‧‧‧晶片本體
104‧‧‧下電極或電極
105‧‧‧緣邊部分
106‧‧‧上電極
108‧‧‧正面金屬
110‧‧‧釋氣層或導電聚合物層
112‧‧‧覆蓋層或經鍍覆之阻障層
112e‧‧‧經鍍覆之阻障層之邊緣部分
114‧‧‧經鍍覆之精加工層
116‧‧‧焊接接頭
118‧‧‧焊墊
120‧‧‧中空可撓性外殼
120e‧‧‧中空可撓性外殼之邊緣部分
122‧‧‧疲勞裂痕

Claims (12)

  1. 一種電子組件(100；200；300)，包括本體(102；202；302)以及至少一個端子，用於將該本體(102；202；302)焊接到載體，其中，該端子包括：電極(104；204；304)，安置在該本體(102；202；302)之表面上；釋氣層(110；210；310)，形成在該電極(104；204；304)上及/或由該電極(104；204；304)環繞，其中，該釋氣層(110；210；310)於加熱時係經配置以釋氣；以及導電覆蓋層(112；212；312)，其係形成在該釋氣層(110；210；310)上，其中，該覆蓋層(112；212；312)電性連接至該電極(104；204；304)，而且以氣密方式在該覆蓋層(112；212；312)和該電極(104；204；304)之間密封該釋氣層(110；210；310)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電子組件(100；200；300)，其中，形成該本體(102；202；302)之材料包含陶瓷。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該覆蓋層(112；212；312)包含具有彈性模數之材料，該彈性模數高於構成該釋氣層(110；210；310)之材料之彈性模數。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)和該覆蓋層(112； 212；312)之間之黏著性大於該釋氣層(110；210；310)和該電極表面之間之黏著性。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)包含導電聚合物。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)包含經金屬填充之聚矽氧。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該覆蓋層(112；212；312)包含銅及/或鎳。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)係沉積在該電極(104；204；304)遠離該本體(102；202；302)之表面上，該電極表面包括未經該釋氣層(110；210；310)覆蓋之密封界限(105；305)，該覆蓋層(112；212；312)於該密封界限電性連接至該電極(104；204；304)。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，復包括沉積在該覆蓋層(112；212；312)上之經鍍覆之精加工層(114；214；314)。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)係網印至該電極上。
  11. 如申請專利範圍第1或2項所述之電子組件(100；200；300)，其中，該釋氣層(110；210；310)係藉由將該端 子浸泡在導電聚合物油墨中而配置。
  12. 一種用於將如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之電子組件(100；200；300)焊接到載體之方法，包括下列步驟：提供該電子組件(100；200；300)；提供具有至少一個連接墊(118)之載體；以及將該電子組件(110；200；300)之該至少一個端子焊接到該載體之該至少一個連接墊(118)，其中，從該至少一個端子之該釋氣層(110；210；310)逸出之氣體使該覆蓋層(110；210；310)膨脹，以在該電極(104；304)和該至少一個端子之該覆蓋層(110；210；310)之間形成經氣體填充之體積。
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