TWM586447U - 積層陶瓷電容器之散熱結構 - Google Patents
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Abstract
本創作係提供一種積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該電容器本體包含上下堆疊之複數陶瓷介電層，並於各陶瓷介電層之間及外側設置有以交錯方式堆疊之複數內電極，且電容器本體二端處設置有與各內電極形成電性連接之外部端電極，又二外部端電極相對向內延伸有至少一對以鏡像對稱方式設置於電容器本體外表面上之金屬層，便可藉由電容器本體於上蓋位置之金屬層與空氣作大面積的接觸或對流來釋放蓄積的高溫熱量之外，亦可利用下蓋位置之金屬層以最有效率的熱傳導方式更迅速引導至電路板並釋放至外界，或者是上蓋與下蓋位置共同設置之金屬層通過增加金屬散熱面積的方式同時散熱，以延遲積層陶瓷電容器因溫升現象所造成電容值的不穩定。
Description
本創作係提供一種積層陶瓷電容器之散熱結構，尤指電容器本體於上蓋、下蓋或上蓋與下蓋共同設置有金屬層，可由增加金屬散熱面積的方式來釋放積層陶瓷電容器所蓄積的熱量，以延遲積層陶瓷電容器因溫升現象所造成電容值的不穩定。
隨著現今科技的進步與快速發展，使得電容器朝著微型化、高電容量、高穩定性及可靠度等趨勢邁進，並由傳統電容器轉變為晶片型式的積層陶瓷電容器(MLCCs)，此一型態的電容器不但縮小了電容器體積且提高電容量，也降低了生產成本，由於積層陶瓷電容器具有多元的電氣特性及可滿足大多數消費性電子產品應用的溫度範圍，因此被廣泛應用在各類型電子產品當中。
然而，積層陶瓷電容器應用於交流電場下，會因介電材料之鐵電域隨電場改變方向而產生有溫升現象，當積層陶瓷電容器長時間在高頻或低頻電流通過的工作環境下，電容器本體所產生蓄積的高溫熱量逐漸逼近介電材料的居禮溫度區間時，繼而將造成電容溫度係數(TCC)曲線波動，即電容值隨溫度的變化而變化的幅度變大，當積層陶瓷電容器的溫度過高時，電容器本體會蓄積大量熱能，並影響積層陶瓷電容器工作
的穩定性，甚至是和交流電場中一定頻率的諧波發生諧振，對系統造成嚴重的損壞，此外，積層陶瓷電容器能否正常工作，除了與所在的環境溫度有著密切的關係之外，其工作溫度對於介電損耗、絕緣電阻、介電溫度穩定性和使用壽命，亦有顯著的影響，並在一般情況下，電容器的使用壽命隨溫度的升高而縮短，所以電容器在設計時，必須考慮到溫度對於使用壽命的影響，以確保電容器能夠長時間正常的運作。
再者，隨著電容器領域中的技術成熟，電容器結構上可以改變設計的部位趨於有限，因此，習知技藝通常係採取改變包含鈦酸鋇的介電體材料組成及添加特殊元素方式來提升電容器的居禮溫度，或是緩和溫度一電容溫度係數曲線的波動曲率，然而，這類改變材料組成的方式在生產製程上總有不容易精準控制材料組成的問題，更進一步地，近年習知技藝甚至有在電容器本體上另外設計控制與空氣對流的孔隙結構來釋放熱量的技術出現，習知技藝之積層陶瓷電容器所蓄積的高溫熱量，主要仰賴孔隙結構而僅得置於電容器本體的上蓋位置，若是孔隙結構置於電容器本體的下蓋位置，則孔隙率(即多個孔隙所佔的體積與積層陶瓷電容器總體積的比值)於後續與電路板焊接時將會被焊膏所全部填補，繼而失去孔隙率之效用，故明顯將無法適用於SMT相關貼片製程；又，若是僅有電容器本體的上蓋能夠透過孔隙結構的方式散熱，其釋放熱量的效率可能不如預期來得快速，仍會影響到積層陶瓷電容器工作的穩定性，則有待從事於此行業者研究改善來加以有效解決。
故，新型創作人有鑑於上述習用之問題與缺失，乃搜集相
關資料經由多方的評估及考量，並利用從事於此行業之多年研發經驗不斷的試作與修改，始有此種積層陶瓷電容器之散熱結構新型誕生。
本創作之主要目的乃在於電容器本體二端處之外部端電極為相對向內延伸有至少一對金屬層，並以鏡像對稱方式設置於電容器本體外部的至少一側表面上而彼此相隔有一間距，且該金屬層含有緻密平坦的表面，無論上蓋或下蓋位置之金屬層都可以被選擇作為與電路板焊接時焊膏塗佈的位置，並適用SMT製程，以大幅地增加生產自由度，便可藉由增加金屬散熱面積的方式釋放積層陶瓷電容器蓄積的高溫熱量，除了上蓋位置之金屬層可與空氣作大面積的接觸或對流來釋放熱量之外，亦可利用下蓋位置之金屬層以最有效率的熱傳導方式更迅速引導至電路板並釋放至外界，或者是上蓋與下蓋位置共同設置之金屬層同時散熱，以延遲積層陶瓷電容器因溫升現象所造成電容值的不穩定。
本創作之次要目的乃在於電容器本體二端處之外部端電極製作的過程中，每一對金屬層係可直接由包含銅、銀、鎳或錫所組成之二外部端電極(如浸鍍銅層或銀層、電鍍鎳層或/及錫層)共同成長出來或一體成型，而每一對金屬層也可為外部端電極製程中，特別在電容器本體表面上產生能夠與外部端電極接觸的緻密金屬層，故不會影響到外部端電極與電路板進行表面黏著技術(SMT)接合的部位，以適用於SMT的製程，同時確保積層陶瓷電容器用作一表面貼裝器件(SMD)的良率，且因電路板進行SMT接合部位之焊膏具有一定面積，並與外部端電極焊接時之位置不會改變，所以金屬層仍可通過外部端電極迅速引導至電路板進行散熱。
本創作之另一目的乃在於外部端電極之金屬層可為矩形、半圓形、半橢圓形、多邊形或其他適當形狀，並於金屬層之邊角亦可為圓角、弧形狀、直角或倒角，也可依現有外部端電極製程的複雜程度製作出特定形狀的金屬層，而無論上蓋與下蓋位置之金屬層，除了可以利用外部端電極製程直接成長出來，還必須是呈鏡像對稱方式設計，以避免因金屬層形狀或面積大小的不同，導致外部端電極上的焊膏在SMT製程回流焊的過程中受熱不均而熔化速率不同、表面張力不平衡所引起積層陶瓷電容器二端發生立碑現象或曼哈頓現象。
1‧‧‧電容器本體
11‧‧‧陶瓷介電層
2‧‧‧內電極
21‧‧‧第一內電極
22‧‧‧第二內電極
3‧‧‧外部端電極
31‧‧‧金屬層
311‧‧‧邊角
4‧‧‧電路板
41‧‧‧焊膏
第一圖 係為本創作積層陶瓷電容器之立體外觀圖。
第二圖 係為本創作積層陶瓷電容器之俯視圖。
第三圖 係為本創作積層陶瓷電容器之前視剖面圖。
第四圖 係為本創作積層陶瓷電容器焊接於電路板上之前視剖面圖。
第五圖 係為本創作在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(一)。
第六圖 係為本創作第五圖之溫升與漣波電流的數據表(一)。
第七圖 係為本創作在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(二)。
第八圖 係為本創作第七圖之溫升與漣波電流的數據表(二)。
第九圖 係為本創作在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(三)。
第十圖 係為本創作第九圖之溫升與漣波電流的數據表(三)。
第十一圖 係為本創作在高頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖。
第十二圖 係為本創作第十一圖之溫升與漣波電流的數據表。
第十三圖 係為本創作積層陶瓷電容器另一實施例之俯視圖。
第十四圖 係為本創作積層陶瓷電容器再一實施例之俯視圖。
為達成上述目的及功效，本創作所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本創作之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。
請參閱第一、二、三、四圖所示，係分別為本創作積層陶瓷電容器之立體外觀圖、俯視圖、前視剖面圖及積層陶瓷電容器焊接於電路板上之前視剖面圖，由圖中可清楚看出，本創作之積層陶瓷電容器包括電容器本體1、複數內電極2及二外部端電極3，其中該電容器本體1包含上下堆疊之複數陶瓷介電層11，並於各二相鄰陶瓷介電層11相對內側表面上分別設有彼此交錯堆疊之複數內電極2，且各內電極2端部為分別外露於電容器本體1二端處，而電容器本體1二端處則設有分別與內電極2端部形成電性連接之外部端電極3，並由二外部端電極3相對向內延伸有至少一對散熱用之金虜層31，且二金屬層31係以鏡像對稱方式設置於電容器本體1外部的至少一側表面上而彼此相隔有一間距。
在本實施例中，複數內電極2為設置在電容器本體1的各陶瓷介電層11之間及外側以交錯方式堆疊，並包含彼此交錯堆疊之第一
內電極21及第二內電極22，惟該複數內電極2除了具有第一內電極21及第二內電極22之外，亦可進一步包含並未與任何外部端電極3相連接之浮動電極，並使第一內電極21與第二內電極22成對的設置於陶瓷介電層11同一平面上而彼此相隔有一間距，且各浮動電極為設置於另一相鄰陶瓷介電層11之不同平面上，故在本案以下之說明書內容中皆一起進行說明，合予陳明。
如第二、三圖所示，本創作積層陶瓷電容器之仰視圖與俯視圖對稱，故省略仰視圖，其中電容器本體1位於最上方與最下方之陶瓷介電層11分別為上蓋及下蓋，並於上蓋與下蓋外表面上共同設置有由二外部端電極3相對向內延伸出之金屬層31，但於實際應用時，亦可單獨在上蓋或下蓋外表面上分別設置有二金屬層31，且二金屬層31鏡像對稱方式係指以積層陶瓷電容器長度方向之中心線為對稱軸，二金屬層31成軸對稱，即使變換彼此的位置但形狀和大小仍相同。
一般積層陶瓷電容器之外部端電極3製作的過程中，大都是使用銅膠、銀膠在電容器本體1二端處浸鍍銅層或銀層，並經燒結後，再於該銅層或銀層上依序電鍍形成有鎳及錫二金屬層，在本實施例中之每一對金屬層31則可利用現有外部端電極3製程直接由銅層、銀層、鎳層或/及錫層成長出來，但並不以此為限，亦可依不同製程與外部端電極3一體成型，或者是電容器本體1表面上產生能夠與外部端電極3形成連結或接觸的平坦且緻密的金屬層，即金屬層31含有緻密平坦的表面，而其所提供的金屬層31係與外部端電極3使用材料相同，包含銅、銀、鎳、錫或其他金屬、合金材料所組成，或者是金屬層21也可以選擇與內電極
2相同材料所組成，最佳實施為鎳及錫，故不會影響到外部端電極3與電路板4進行表面黏著技術(SMT)接合的部位，以適用於SMT製程，同時確保積層陶瓷電容器用作表面貼裝器件(SMD)的良率，舉凡運用本創作說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本創作之專利範圍內，合予陳明。
如第四圖所示，本創作之電容器本體1位於上蓋與下蓋二側表面上為共同設置有由二外部端電極3相對向內延伸出之金屬層31，並以鏡像對稱方式排列而彼此相隔有一間距，無論上蓋或下蓋都可以被選擇作為積層陶瓷電容器與電路板4焊接時焊膏41塗佈的位置，除了可適用於SMT製程以外，更大幅地增加SMT製程的生產自由度，當電子電路傳輸之交流電流通過積層陶瓷電容器，其自身發熱的情況下，可將電容器本體1的熱直接傳導到各金屬層31，並使各內電極2的熱通過二外部端電極3傳導到各金屬層31，便可藉由增加金屬散熱面積的方式來釋放積層陶瓷電容器所蓄積的高溫熱量，除了上蓋位置之金屬層31可與空氣作大面積的接觸或對流來釋放熱量之外，亦可利用下蓋位置之金屬層31以最有效率的熱傳導方式將電容器本體1所蓄積的高溫熱量通過二外部端電極3更迅速引導至電路板4並釋放至外界，藉此可延遲積層陶瓷電容器於工作時因溫升現象所造成電容值的不穩定，特別是延遲發生電容器本體1溫度逐漸逼近居禮溫度時的影響，使電容溫度係數(TCC)與溫度的關係曲線有越平緩的趨勢，不容易蓄積熱量且TCC曲線的波動現象相對穩定許多；又，下蓋位置之金屬層21，也可進一步強化積層陶瓷電容器以抵抗電路板4震動所連帶產生的撓裂破壞。
請參閱第五至十二圖所示，係分別為本創作在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(一)、第五圖之溫升與漣波電流的數據表(一)、在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(二)、第七圖之溫升與漣波電流的數據表(二)、在低頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖(三)、第九圖之溫升與漣波電流的數據表(三)、在高頻工作環境下以漣波電流所測得積層陶瓷電容器的溫升曲線比較圖及第十一圖之溫升與漣波電流的數據表，由圖中可清楚看出，為了理解積層陶瓷電容器應用在低頻或高頻的工作環境下，交流電源(AC)整流後的電流通過積層陶瓷電容器時對於發熱特性的影響，係以漣波電流(Ripple current)所測得規格為0402(長度與寬度)之積層陶瓷電容器的溫升曲線，並為了嚴格要求本創作實施例之散熱效果，實驗中僅以電容器本體1單一上蓋或下蓋位置之金屬層31作散熱，而非選擇上蓋及下蓋位置之金屬層31同時散熱。
再者，如第六、八、十、十二圖所示，係分別為本創作實施例之積層陶瓷電容器與對照組(即積層陶瓷電容器二端處僅有外部端電極設計)分別在頻率100K、300K、500K、1M的條件下工作所測得的實驗數據表，並對照第五、七、九、十一圖所示之溫升曲線比較圖可清楚看出，本創作上述實施例之電容器本體1無論是上蓋或下蓋位置之金屬層31相較於對照組無任何散熱設計的積層陶瓷電容器，當頻率分別為100K、300K、500K、1M的條件下之積層陶瓷電容器進入3小時，實驗數據中顯示本創作之積層陶瓷電容器隨著漣波電流的增加
而升溫相較於對照組有明顯下降的趨勢，例如頻率為100K之積層陶瓷電容器在漣波電流2mA的條件下，上方所測得的升溫(47.6℃)相較於對照組(60.9℃)有10℃以上的降溫效果；頻率為1M之積層陶瓷電容器在漣波電流3.5mA的條件下，下方所測得的升溫(59℃)相較於對照組(71.1℃)亦具有10℃以上的降溫效果，當進入更長時間工作時，估計能有更明顯地降溫效果。
更進一步地，若是電容器本體1設計在上蓋與下蓋位置之金屬層31同時散熱，則降溫效果勢必更佳，所以本創作積層陶瓷電容器之每一對金屬層31設計，可由增加金屬散熱面積的方式來釋放所蓄積的高溫熱量，相較於無任何散熱設計的積層陶瓷電容器升溫得以有效控制，即不容易蓄積熱量且TCC曲線的波動現象相對穩定許多，以延遲積層陶瓷電容器因溫升現象所造成電容值的不穩定。
另請參閱第十三、十四圖所示，係分別為本創作積層陶瓷電容器另一實施例之俯視圖及再一實施例之俯視圖，由圖中可清楚看出，本創作積層陶瓷電容器之仰視圖與俯視圖對稱，故省略仰視圖，其中電容器本體1位於陶瓷介電層11上下二側表面上(即上蓋與下蓋位置)為由二外部端電極3相對向內延伸有至少一對金屬層31，並使各二金屬層31以鏡像對稱方式設計而彼此相隔有一間距，且金屬層31沿著電容器本體1寬度方向之長度為小於外部端電極3之長度，以及厚度也可小於外部端電極3之厚度，由於電路板4進行SMT接合部位之焊膏41具有一定面積，並與外部端電極3焊接時之位置不會改變，所以下蓋位置之金屬層31不會影響到其原先熱量蓄積的部位，且因金屬層31與電路板4之間
仍會存在有一定間距，還是可利用金屬層31通過外部端電極3迅速引導至電路板4進行散熱。
在本實施例中，電容器本體1上蓋與下蓋位置之金屬層31較佳實施為一矩形，但並不以此為限，亦可為半圓形、半橢圓形、多邊形(如梯形、五邊形、六邊形等)或其他適當的形狀，且每一對金屬層31相對內側之四個邊角311可為圓角(如第二圖所示)、弧形狀、直角(如第十三圖所示)或倒角(如第十四圖所示)，也可依現有外部端電極3製程的複雜程度直接製作出特定形狀的金屬層31，惟該電容器本體1無論上蓋與下蓋位置之金屬層31，除了可以利用外部端電極3製程直接成長出來，還必須是呈鏡像對稱的方式設計，以避免因金屬層31形狀或面積大小不同，導致外部端電極3上的焊膏41在SMT製程回流焊的過程中受熱不均而熔化速率不同、表面張力不平衡所引起積層陶瓷電容器二端會發生立碑現象(Tomb stone effect)或曼哈頓現象(Manhattan effect)。
本創作所提供之積層陶瓷電容器與先前技術之積層陶瓷電容器相比較時，具有下列各項優點：
(一)本創作電容器本體1二端處之外部端電極3位於陶瓷介電層11的上蓋、下蓋或上蓋與下蓋位置外表面上為相對向內延伸有至少一對金屬層31，並由增加金屬散熱面積的方式來釋放所蓄積的高溫熱量，除了上蓋位置之金屬層31可與空氣作大面積的接觸或對流來釋放熱量之外，而下蓋位置之金屬層31則可以最有效率的熱傳導方式通過更迅速引導至電路板4並釋放至外界，或者是可通過上蓋與下蓋位置共同設
置之金屬層31同時散熱，整體降溫的效果更佳，以延遲積層陶瓷電容器因溫升現象所造成電容值的不穩定，特別是延遲發生電容器本體1溫度逐漸逼近居禮溫度時的影響。
(二)本創作電容器本體1二端處之外部端電極3製作的過程中可直接共同成長或一體成型有至少一對金屬層31，並以鏡像對稱方式設置於電容器本體1外部的至少一側表面上，而無論是上蓋或下蓋位置之金屬層31都可被選擇作為與電路板4焊接時焊膏41塗佈的位置，不會影響外部端電極3與電路板4進行SMT接合的部位，以適用於SMT的製程，大幅地增加生產自由度，同時確保積層陶瓷電容器用作表面貼裝器件(SMD)的良率，又下蓋位置之金屬層31，也可進一步強化積層陶瓷電容器以抵抗電路板4震動所連帶產生的撓裂破壞。
(三)本創作上述實施例之積層陶瓷電容應用在低頻或高頻工作環境下，無論是上蓋或下蓋位置之金屬層31，相較於對照組無任何散熱設計的積層陶瓷電容器，隨著漣波電流的增加有10℃以上的降溫效果，當進入更長時間估計有更明顯地降溫效果，更進一步地，若是電容器本體1設計上蓋與下蓋位置之金屬層31同時散熱，則降溫的效果勢必更佳，使電容溫度係數曲線有越平緩的趨勢，不容易蓄積熱量且TCC曲線波動現象相對穩定許多。
上述詳細說明為針對本創作一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本創作之申請專利範圍，凡其他未脫離本創作所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本創作所涵蓋之專利範圍中。
綜上所述，本創作上述積層陶瓷電容器之散熱結構為確實能達到其功效及目的，故本創作誠為一實用性優異之創作，實符合新型專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案，以保障新型創作人之辛苦創作，倘若 鈞局有任何稽疑，請不吝來函指示，新型創作人定當竭力配合，實感德便。
Claims (10)
- 一種積層陶瓷電容器之散熱結構，包括：一電容器本體，該電容器本體包含上下堆疊之複數陶瓷介電層；複數內電極係分別設置在各該陶瓷介電層之間及外側，並以交錯方式堆疊；及二外部端電極係設置在該電容器本體二端處，並分別與各該內電極的端部形成電性連接，該二外部端電極相對向內延伸有至少一對散熱用之金屬層，其中該每一對金屬層係以鏡像對稱方式設置於電容器本體外部的至少一側表面上而彼此相隔有一間距，且該金屬層含有緻密平坦的表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該電容器本體位於上下二側的陶瓷介電層外表面上為共同設置有由該二外部端電極相對向內延伸出之金屬層。
- 如申請專利範圍第2項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層係分別與該二外部端電極接觸，並由包含銅、銀、鎳、錫或其他金屬所組成，且該每一對金屬層係分別為矩形、半圓形、半橢圓形或多邊形。
- 如申請專利範圍第3項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層相對內側為各具有二個邊角，且該各邊角係分別為圓角、弧形狀或倒角。
- 如申請專利範圍第1項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該電容器本體位於上方的陶瓷介電層外表面上為設置有由該二外部端電極相對向內延伸出之金屬層。
- 如申請專利範圍第5項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層係分別與該二外部端電極接觸，並由包含銅、銀、鎳、錫或其他金屬所組成，且該每一對金屬層係分別為矩形、半圓形、半橢圓形或多邊形。
- 如申請專利範圍第6項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層相對內側為各具有二個邊角，且該各邊角係分別為圓角、弧形狀或倒角。
- 如申請專利範圍第1項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該電容器本體位於下方的陶瓷介電層外表面上為設置有由該二外部端電極相對向內延伸出之金屬層。
- 如申請專利範圍第8項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層係分別與該二外部端電極接觸，並由包含銅、銀、鎳、錫或其他金屬所組成，且該每一對金屬層係分別為矩形、半圓形、半橢圓形或多邊形。
- 如申請專利範圍第9項所述之積層陶瓷電容器之散熱結構，其中該每一對金屬層相對內側為各具有二個邊角，且該各邊角係分別為圓角、弧形狀或倒角。
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