CN114974895B - 一种基于mlcc与slc的多层陶瓷二进制电容及电容调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容及电容调节方法，它属于二进制电容设计领域。本发明要解决现有MLCC容值单一不可调，现有二进制电容容值小，电容组合种类少，容值调节困难，耐压较低的问题。多层陶瓷二进制电容按表层生瓷带‑电容部‑表层生瓷带的方式进行叠片，电容部由上到下按印刷有多个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层交叠而成；多层陶瓷二进制电容上下位置对应的一列电极组成一个或一个以上电极组。电容调节方法：不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同，通过改变接入不同的电极组改变容值。本发明用于多层陶瓷二进制电容及电容调节。
Description
技术领域
本发明属于二进制电容设计领域。
背景技术
多层陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitors，简称MLCC)是一个多层叠合的结构，是由多个简单平行板电容器组合而成的并联体，由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层(外电极)，从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。其结构包括三大组成部分：陶瓷介质(瓷体)，金属内电极，金属端电极。
单层陶瓷电容器(Single-layer capacitors，简称SLC)具有尺寸小、厚度薄、等效串联电阻低、损耗低等优点，适用频率可达100MHz-100GHz，在高频、微波、小型、微型化的场合有广阔的应用前景。单层陶瓷电容器广泛应用于微波通讯线路、微波功率放大器、模块(蓝牙模块、集成电路外贴元件、混合集成电路模块、手机电路模块、无线电微波通讯模块)、振荡电路、定时延时电路、耦合电路、平衡滤波电路、抑制高频噪音电路、射频旁路以及微波集成电路中，是军用和民用高可靠性产品。
单层陶瓷电容器按表面电极图形结构分类，有以下几种常见的类型：(1)通用型：这种类型的电容器主要体积小、电容量大，微波性能优异；可焊性良好；对于表面留边型的单层电容，有助于防止溢胶造成的短路，这种设计也减少了因镊子而造成的伤害，也便于自动机械的操作。主要应用于微波集成电路，起隔直流、源旁路、阻抗匹配等作用。(2)双电极型芯片电容器：这种类型的电容器结构独特，性能一致性好；可表面贴装，免去金丝键合过程，利于规模生产，提高生产效率。(3)阵列型芯片电容器：此种类型的电容器安装简单，可以在IC封装中集成以减少引线长度，提高性能，并可以降低电容器的成本以及安装成本。此类电容器主要使用于单片微波集成电路，解耦电路、射频旁路。(4)二进制多电极型芯片电容器：此种类型的电容器几何尺寸小，适合于微波电路；电容阵列布局容值呈现一定的规律变化，便于精确调试且有利于电路匹配和调整。主要应用于匹配网络、提供方便的电路可调性。其结构如图1所示。
传统的二进制多电极型芯片为单层陶瓷结构，虽然与单电极、双电极、阵列型芯片相比，有着更小的尺寸以及更多的电容组合方式，但是由于其单层结构以及体积的限制，其容值小，电容组合种类少，容值调节困难，并且工作电压较低，某些大功率条件下易被击穿，难以满足某些要求高密度、小型化、高频低损的领域。
发明内容
本发明要解决现有MLCC容值单一不可调，现有二进制电容容值小，电容组合种类少，容值调节困难，耐压较低的问题，进而提供一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容及电容调节方法。
一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，多层陶瓷二进制电容按表层生瓷带-电容部-表层生瓷带的方式进行叠片，所述的电容部由上到下按印刷有多个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层交叠而成，所述的电容部中印刷有多个电极的介质层的层数为2层～80层；
多层陶瓷二进制电容厚度方向中，上下位置对应的一列电极组成一个或一个以上电极组，同一个电极组中各层电极面积、电极与相邻接地平板间距相同，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同。
一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的电容调节方法，它是按以下步骤进行：
基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同，通过改变接入不同的电极组改变容值。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种全新的二进制电容，通过结合MLCC与单层二进制多电极型芯片电容器的特点，使单层电极在同一面积的条件下，能够达到更大的容值，提高了二进制电容的综合电性能，减小了器件体积，适用于各种高精度、高性能要求的领域。
2、本发明提出的二进制电容，有着更多的电容组合。与现有单层二进制多电极型芯片电容器依靠接入具有不同面积的电极调节电容不同，本发明能够通过接入不同单层电极面积、不同电极与相邻接地平板间距、不同电极层数的电极组，以多种方式相互组合共同调节电容大小，组合种类很多，能够满足不同条件下的使用要求。
3、本发明提出的结构，可以通过多种加工方式进行加工制作，包括：LTCC、HTCC、PCB等，可根据使用要求和设备条件以及成本因素进行灵活组合，能够实现大批量生产，降低使用成本。
4、本发明提出的结构，容量大、电容组合方式多、便于调节，尤其适用于跳频通信等多频点快速调节的高精领域。
5、本发明提出的结构，多层叠加，耐压较高，具有更好的可靠性。
说明书附图
图1为传统单层二进制多电极型芯片电容器的结构示意图，1为表面电极，2为介质层，3为接地平板；
图2为具体实施方式一基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容与测试基板的结构示意图，1为基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，2为测试基板；
图3为具体实施方式一基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的整体结构示意图，1、2、3、4及5为电极组，6为接地平板；
图4为具体实施方式一基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的侧视图，1及2为电极组，6为接地平板，7为介质层；
图5为具体实施方式十通过接入电极面积不同的电极组从而改变电容值的结构示意图，1及2为电极组；
图6为具体实施方式十通过接入具有不同电极层数的电极组从而改变电容值的结构示意图，4及5为电极组；
图7为具体实施方式十通过接入电极与相邻接地平板间距不同的电极组从而改变电容值的结构示意图，3、4及5为电极组；
图8为实施例一基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容与测试基板的结构示意图；
图9为实施例一基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的整体结构示意图，1、2、3及4为电极组。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2～4具体说明，本实施方式一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，多层陶瓷二进制电容按表层生瓷带-电容部-表层生瓷带的方式进行叠片，所述的电容部由上到下按印刷有多个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层交叠而成，所述的电容部中印刷有多个电极的介质层的层数为2层～80层；
多层陶瓷二进制电容厚度方向中，上下位置对应的一列电极组成一个或一个以上电极组，同一个电极组中各层电极面积、电极与相邻接地平板间距相同，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同。
本具体实施方式具有电容值大，电容组合方式多，电容值调节简便，可与多种制作工艺结合的优点。
图3中结构1、2、3、4、5的作用为通过叠层结构，形成多个平板电容并联，在电极面积一定时，充分提高电容容值，并且它们之间可以任意组合，实现二进制电容功能；结构6的作用为接地，使得每一层金属平板均能形成平板电容，提高容值。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式提出了一种全新的二进制电容，通过结合MLCC与单层二进制多电极型芯片电容器的特点，使单层电极在同一面积的条件下，能够达到更大的容值，提高了二进制电容的综合电性能，减小了器件体积，适用于各种高精度、高性能要求的领域。
2、本实施方式提出的二进制电容，有着更多的电容组合。与现有单层二进制多电极型芯片电容器依靠接入具有不同面积的电极调节电容不同，本发明能够通过接入不同单层电极面积、不同电极与相邻接地平板间距、不同电极层数的电极组，以多种方式相互组合共同调节电容大小，组合种类很多，能够满足不同条件下的使用要求。
3、本实施方式提出的结构，可以通过多种加工方式进行加工制作，包括：LTCC、HTCC、PCB等，可根据使用要求和设备条件以及成本因素进行灵活组合，能够实现大批量生产，降低使用成本。
4、本实施方式提出的结构，容量大、电容组合方式多、便于调节，尤其适用于跳频通信等多频点快速调节的高精领域。
5、本实施方式提出的结构，多层叠加，耐压较高，具有更好的可靠性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的表层生瓷带及介质层的材质为陶瓷介质材料；所述的陶瓷介质材料的介电常数为2～20000。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的上表面积为100μm2～100cm2。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的印刷有多个电极的介质层中电极的布局方式与单层二进制多电极型芯片电容器相同。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的介质层上设有通孔，所述的通孔直径为10μm～500μm；所述的电极组是利用导电金属浆料填孔进而实现连接。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：相邻的印刷有多个电极的介质层之间设置一层或一层以上印刷有接地平板的介质层。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的电极与相邻接地平板间距为10μm～3000μm；所述的电极厚度为1μm～1000μm；所述的接地平板厚度为1μm～1000μm。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容通过LTCC、HTCC或PCB加工方法得到。其它与具体实施方式一至七相同。
本具体实施方式采用LTCC\HTCC技术，可以将体积压缩在很小，要达到相同的容值和电容组合数量，需要使用的单层二进制体积远大于本具体实施方式所述电容器。
LTCC加工方法：选择介电常数为2～20000范围内的陶瓷介质材料，且陶瓷材料烧结温度低于900℃，膨胀系数接近于所用金属材料。由于烧结温度低，故金属材料可以选择导电率高但熔点较低的银、铜金属。其加工过程为先进行陶瓷粉体流延、载片，制成生瓷带；然后在生瓷带上冲孔、填孔及印刷电极；最后将印刷完毕的电容部分与未印刷的表层生瓷带一起进行叠片、静压、烧结，制成多层陶瓷二进制电容。
HTCC加工方法：HTCC的必须在900℃以下先进行排胶处理后再在更高的1500℃～1600℃高温环境中将多层叠压的基片共烧成一体，陶瓷材料为Al2O3、AlN等。由于烧结温度高，故只能选择熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰等金属或贵金属。其生产工艺流程与LTCC相似。
PCB加工方法：基板材料采用覆铜箔层压板，金属基散热板包含铝基板、铜基板、铁基板。PCB层数为1层-64层，最小板厚能达到0.6mm，其加工流程为开料、磨板、贴膜、曝光、显影、刻蚀/电镀、褪膜、棕化、层压、钻孔、沉铜板镀、外层干膜、外层图形电镀、阻焊、丝印字符、表面处理、成型、电测、终检。
具体实施方式九：本实施方式一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的电容调节方法，它是按以下步骤进行：
基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同，通过改变接入不同的电极组改变容值。
具体实施方式十：结合图5～7具体说明，本实施方式与具体实施方式九不同的是：当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中电极与相邻接地平板间距和电极层数相同，不同电极组中单层电极面积不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极面积改变容值；
当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积及电极层数相同，不同电极组中电极与相邻接地平板间距不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极与相邻接地平板间距改变容值；
当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积及电极与相邻接地平板间距相同，不同电极组中电极层数不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极层数改变容值。其它与具体实施方式九相同。
不同层不能单独选取电极接入，但可以通过控制不同的电极组接入情况，快速调节电容容值大小，且能够按照需求精确控制容值大小。其具体实现方式如下所述：
(1)通过改变接入电极组中单层电极面积不同改变容值。不同电极组中，电极与相邻接地平板间距(电极与接地平板之间的距离，也就是生瓷带的厚度)、电极层数相同的情况下，通过接入单层电极面积不同的电极组，可以改变整体二进制电容容值大小，这与传统单层二进制电容调节容值的方法相似。其原理图如图5所示，图5为具体实施方式一通过接入电极面积不同的电极组从而改变电容值的结构示意图，1及2为电极组；其中1和2电极组的电极层数、电极与相邻接地平板间距完全相同，但是1、2电极组中单层电极面积不同(俯视图)，所以1和2的容值不同，当选择接入1或者2，就能改变整体电容的容值。
(2)通过控制电极层数改变容值。不同电极组中，电极与相邻接地平板间距、单层电极面积相同的情况下，在介质层厚度方向上，一列电极设置成两组或多组不同电极层数的电极组，通过选择电极层数不同的电极组，可以控制二进制电容容值的大小。如图6所示，图6为具体实施方式一通过接入具有不同电极层数的电极组从而改变电容值的结构示意图，4及5为电极组；其中电容厚度方向中上下位置对应的一列电极，分成2个电极层数不同的电极组，实现了在电极与相邻接地平板间距、单层电极面积相同的情况下，电极层数改变；由图可知，同一电极组利用导电浆料填孔进而实现连接，而不同的电极组4及5之间则不设置导电浆料。
(3)通过控制电极与相邻接地平板间距改变容值。不同电极组中，单层电极面积、电极层数相同的情况下，通过调节电极与相邻接地平板间距，可以调节二进制电容容值大小，如图7所示，图7为具体实施方式一通过接入电极与相邻接地平板间距不同的电极组从而改变电容值的结构示意图，3、4及5为电极组；其中电容厚度方向中上下位置对应的一列电极，分成2个层数不同的电极组4及5，不同的电极组4及5之间不设置银浆，且电极组4中的电极为2层，而电极组3与电极组4层数相同，均为两层，即单层电极面积和电极层数相同，但电极组3与电极组4中电极与相邻接地平板间距不同，且电极组3中印刷有电极的介质层之间设置2个印刷有接地平板的介质层，这是由于同一个电极组中要求各层电极面积、电极与相邻接地平板间距相同，因此，增加一层接地平板，以满足上下电极与相邻接地平板间距均相同。
以上三种调节电容容值方法可以单独使用，也可以相互组合，其组合种类非常多，能够满足不同使用要求。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图8及9具体说明：
多层陶瓷二进制电容按表层生瓷带-电容部-表层生瓷带的方式进行叠片，所述的电容部由上到下按印刷有3个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层交叠而成，所述的电容部中印刷有3个电极的介质层的层数为6层；所述的电容部中印刷有接地平板的介质层的层数为6层；
多层陶瓷二进制电容厚度方向中，上下位置对应的一列电极组成一个电极组1，一列电极组成一个电极组2，一列电极组成电极组3和4，同一个电极组中各层电极面积、电极与相邻接地平板间距相同，其中电极组1、电极组2及电极组3和4的相关参数详见表1。
所述的表层生瓷带及介质层的材质为K14陶瓷材料。
所述的陶瓷介质材料的介电常数为13.5。
所述的基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的尺寸为4mm×4mm×1.44mm。
所述的印刷有3个电极的介质层中电极的布局方式与DCMS100J40型单层二进制多电极型芯片电容器相同。
所述的介质层上设有通孔，所述的通孔直径为100μm；所述的电极组是利用银浆填孔进而实现连接。
所述的电极厚度为20μm；所述的接地平板厚度为20μm；
所述的电极材质为金属银；所述的接地平板材质为金属银。
基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容通过LTCC加工方法得到，具体工艺如下：
一、流延：将K14陶瓷粉末进行流延，得到生瓷膜带，绕卷起来备用；
二、载片：按照尺寸要求，将生瓷膜带从卷状式裁切至单片式，得到裁片后的生瓷带；
三、冲孔、填孔及印刷：在裁片后的生瓷带上对应位置进行冲孔，然后在丝印机上用银浆进行填孔并且进行电极的印制，得到印刷有3个电极的介质层，或者在丝印机上用银浆进行填孔并且进行接地平板的印制，得到印刷有接地平板的介质层；
四、叠片：以裁片后的生瓷带作为表层生瓷带，将印刷有3个电极的介质层、印刷有接地平板的介质层及表层生瓷带进行对位固定并叠片，得到叠片后的生瓷带；
五、静压：将叠片后的生瓷带进行封包抽空，使之固定在强化塑料袋中，然后放在热水中进行均压，得到静压后的生瓷带；
六、切割、共烧：将静压后的生瓷带按照设计要求切割成不同模块，放在烧结炉中烧结，最终得到基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容。
电容容值测量与调节方案分析：定制同样材料，相同电极面积、相同电极与接地平板间距的DCMS100J40型单层二进制多电极型芯片电容器，设为组1，实施例一设为组2，试验比较结果如下表所示：
从表中数据可以看出，在同样的单层电极平板面积条件下，实施例一比现有单层二进制多电极型芯片电容器具有更大的容值，更多的电容组合方式，更广的电容调节范围，更好的耐压性，其综合性能更好，能够适用于某些要求高密度、小型化、高频低损的领域。
Claims (9)
1.一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于多层陶瓷二进制电容按表层生瓷带-电容部-表层生瓷带的方式进行叠片，所述的电容部由上到下按印刷有多个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层交叠而成，所述的电容部中印刷有多个电极的介质层的层数为2层~80层；
多层陶瓷二进制电容厚度方向中，上下位置对应的一列电极组成一个或一个以上电极组，同一个电极组中各层电极面积、电极与相邻接地平板间距相同，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同；
所述的印刷有多个电极的介质层中电极的布局方式与单层二进制多电极型芯片电容器相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于所述的表层生瓷带及介质层的材质为陶瓷介质材料；所述的陶瓷介质材料的介电常数为2~20000。
3.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于所述的基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的上表面积为100µm2~100cm2。
4.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于所述的印刷有多个电极的介质层及印刷有接地平板的介质层中介质层上均设有通孔，所述的通孔直径为10µm~500µm；所述的电极组是利用导电金属浆料填孔进而实现连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于相邻的印刷有多个电极的介质层之间设置一层或一层以上印刷有接地平板的介质层。
6.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于所述的电极与相邻接地平板间距为10µm~3000µm；所述的电极厚度为1µm~1000µm；所述的接地平板厚度为1µm~1000µm。
7.根据权利要求1所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容，其特征在于基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容通过LTCC、HTCC或PCB加工方法得到。
8.如权利要求1中所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的电容调节方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积、电极与相邻接地平板间距和电极层数中的一种或几种不同，通过改变接入不同的电极组改变容值。
9.根据权利要求8所述的一种基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容的电容调节方法，其特征在于当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中电极与相邻接地平板间距和电极层数相同，不同电极组中单层电极面积不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极面积改变容值；
当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积及电极层数相同，不同电极组中电极与相邻接地平板间距不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极与相邻接地平板间距改变容值；
当基于MLCC与SLC的多层陶瓷二进制电容中，不同电极组中单层电极面积及电极与相邻接地平板间距相同，不同电极组中电极层数不同时，通过改变接入不同的电极组，控制电极层数改变容值。
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