CN1701399A

CN1701399A - 单片陶瓷电子元件和制造其的方法

Info

Publication number: CN1701399A
Application number: CNA2004800007594A
Authority: CN
Inventors: 高泽知生
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2005-11-23
Also published as: WO2005034151A1; US20060014303A1; US7251120B2; KR20050084553A; JPWO2005034151A1; KR100678325B1

Abstract

在通过叠置低磁导率的印刷电路基板所形成的低磁导率的线圈部分(15)中，第一线圈(La)和许多孔被形成。另一方面，在通过叠置高磁导率陶瓷印刷电路基板所形成的高磁导率线圈部分(16)中，第二线圈(Lb)和较小数目的孔被形成。第一线圈(La)和第二线圈(Lb)被串联电学连接以形成螺旋线圈(L)。通过具有较小数目的孔的铁素体陶瓷所构成的线圈部分(16)具有较高的磁导率和较高的介电常数，由具有较大数目的孔的铁素体陶瓷所构成的线圈部分(15)具有低磁导率和较低的介电常数。

Description

单片陶瓷电子元件和制造其的方法

技术领域

本发明涉及单片(monolithic)陶瓷电子元件和制造其的方法。具体而言，本发明涉及诸如单片电感器、单片电容器和单片LC复合元件的单片陶瓷电子元件以及制造其的方法。

背景技术

在传统的噪音抑制芯片元件中，为了保证在宽频范围中较高的阻抗，这样可以实现噪音减小的效果，例如，元件通过叠置高磁导率的磁性层和低磁导率的磁性层而制造，线圈设置在各层中，并将线圈串联。

作为这样的元件的示例，专利文件1公开了一种单片电感器，所述电感器具有这样的结构：其中高磁导率的磁性层和低磁导率的磁性层用其间的非磁性中间层一体层压。非磁性中间层防止高磁导率的磁性层的材料和低磁导率的磁性层的材料之间的相互扩散，并防止两个磁性层的磁属性的恶化。

此外，专利文件2公开了一种单片LC复合元件，所述复合元件具有这样的结构：其中电容部分和线圈部分由不同的介电常数的介电层所形成，所述具有不同的介电常数的介电层被一体层压。

但是，在其中非磁性中间层被用于专利文件1中的单片电感器的情况下，粘结强度与其中磁性层彼此直接粘接的情况相比变弱。此外，为了获得满意的粘结，磁性层和非磁性中间层必须被调整以在烘烤(firing)的过程中具有相同的收缩率，这需要很麻烦的操作和技术。此外，必须制备用于中间层的新材料，这是增加制造成本的因素之一。专利文件2的单片LC复合元件也基本具有相同的问题。

专利文件1：日本未审查专利申请出版物No.9-7835。

专利文件2：日本未审查专利申请出版物No.6-232005

发明内容

本发明的目的是提供一种单片陶瓷电子元件，所述陶瓷电子元件不需要提供中间层，并且其中介电常数和磁导率受限减小，以及用于制造这样的单片陶瓷电子元件的方法。

为了实现如上所述的目的，根据本发明的单片陶瓷电子元件包括：

(a)第一元件部分，包括陶瓷层和内电极的薄片(laminate)；以及

(b)第二元件部分，包括陶瓷层和内电极的薄片；

(c)其中至少第一元件部分和第二元件部分被层叠以形成陶瓷薄片，第一元件部分的陶瓷层的孔隙度(porosity)与第二元件部分的陶瓷层的孔隙度不同。

例如，第一元件部分包含通过电学连接内电极而形成的第一线圈，第二元件部分包含通过电学连接内电极而形成的第二线圈，第一线圈和第二线圈电学连接以形成电感器。可选地，第一元件部分包括通过电学连接内电极的线圈，第二元件部分包含其中两个相邻的电极通过陶瓷层分离的电容器，第二元件部分的陶瓷层的孔隙度小于第一元件部分的陶瓷层的孔隙度，线圈和电容器电学连接以形成LC滤波器。

如果陶瓷层包含较高比率的孔，磁导率和介电常数减小。因此，即使使用相同的材料，通过设置不同的孔隙度，就可以获得具有不同的磁导率和不同的孔隙度的第一元件部分和第二元件部分。

此外，根据本发明提供了一种用于制造单片陶瓷电子元件的方法，包括：

(d)叠置陶瓷层和内电极以形成第一元件部分，叠置陶瓷层和内电极以形成第二元件部分，以及叠置至少第一元件部分和第二元件部分以形成陶瓷薄片，

(e)其中混合到用于形成第一元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液中的粒状蒸发孔形成介质的量被设置不同于用于形成第二元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液中的粒状蒸发孔形成介质的量，这样第一元件部分和第二元件部分具有不同的陶瓷层孔隙度。

用于形成第一元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液或者用于形成第二元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液可以不混合粒状蒸发孔形成介质。

根据本发明，通过设置第一元件部分的陶瓷层的孔隙度与第二元件部分的陶瓷层的孔隙度不同，即使第一元件部分的陶瓷层和第二元件部分的陶瓷层由相同的材料所形成，也可以制造具有不同的磁导率和不同的介电常数的第一元件部分和第二元件部分。结果，没有必要提供中间层，并且相对介电常数和磁导率可以用较高的设计自由度获得单片陶瓷电子元件。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的单片陶瓷电子元件的组装视图；

图2是图1所示的单片陶瓷电子元件的外观的透视图；

图3是图2所示的单片陶瓷电子元件的一部分的示意放大横截面视图；

图4是示意显示图2中所示的单片陶瓷电子元件的横截面视图；

图5是显示了图4所示的单片陶瓷电子元件的频率特征的图形；

图6是根据本发明的第三实施例的单片陶瓷电子元件的组装视图；

图7示意显示了图6中所示的单片陶瓷电子元件的横截面视图。

具体实施方式

根据本发明的单片陶瓷电子元件的实施例和其制造方法将参照附图进行说明。

(第一实施例，图1-5)

如图1中所示，单片电感器1包括用于设有线圈可导图样5和用于层间连接的通孔6的内层用的低磁导率陶瓷印刷电路基板(green sheet)5，设有用于抽出(extraction)的通孔(via-hole)8的外层用的低磁导率陶瓷印刷电路基板12，用于设有线圈可导图样5和用于层间连接的通孔6的内层用的高磁导率陶瓷印刷电路基板13和用于设有用于抽出的通孔8的外层用的高磁导率陶瓷印刷电路基板13。

高磁导率陶瓷印刷电路基板13如下进行制造。镍、锌和铜的氧化物的原材料被混合并在800℃煅烧一个小时。被煅烧的混合物用球磨机研磨成粉，接着干化。由此获得平均微粒尺寸大约为2μm的Ni-Zn-Cu铁素体原材料(被混合的氧化物粉末)。

接着，溶剂、粘结剂和分散剂被添加到铁素体原材料，并且执行混合以形成浆液。接着，使用浆液形式的铁素体原材料，通过刮刀过程(doctorblade process)等来形成具有厚度为40μm的高磁导率陶瓷印刷电路基板13。

另一方面，低磁导率陶瓷印刷电路基板12通过如下进行制造。镍、锌和铜的氧化物的原材料被混合并在800℃煅烧一个小时。被煅烧的混合物用球磨机研磨成粉，接着干化。由此获得平均微粒尺寸大约为2μm的Ni-Zn-Cu铁素体原材料(被混合的氧化物粉末)。

接着，由商业上可以获得的球形聚合体所形成的球形蒸发孔形成介质，例如，具有平均微粒尺寸为8μm的球形交联聚苯乙烯被添加到铁素体原材料，溶剂、粘结剂和分散剂被进一步增加，接着被混合以形成浆液。在第一实施例中，由Sekisui Plastics Co.，Ltd所制造的TECHPOLYMER(商标)作为蒸发孔形成介质被添加到铁素体原材料中以实现孔隙度60％。接着，使用浆液形式的铁素体原材料，具有厚度40μm的低磁导率陶瓷印刷电路基板12通过刮刀过程等来形成。蒸发孔形成介质在后续过程中的烘烤的过程中被烧掉，由此孔被形成。

线圈导电图样5由Ag、Pd、Cu、Au或者这些金属的合金来形成，并通过丝网印刷等来形成。为了形成用于层间互连的通孔6或者用于抽出的通孔8，用作通孔的孔使用激光束等来打开，并且所述孔被填充由Ag、Pd、Cu、Au或者这些金属的合金所形成的导电膏。

线圈导电图样5通过用于层间连接的通孔6电学串联连接以形成螺旋线圈L。螺旋线圈L的两端被电学连接到用于抽出的通孔8。

独立的板12、13被叠置并压力粘结以产生平行六面体陶瓷薄片20，如图2所示。陶瓷薄片20在400℃进行3小时的热处理(粘结剂移除处理)，然后在915℃执行两个小时的烘烤。由此获得烧结的陶瓷薄片20。

结果，在通过叠置低磁导率陶瓷印刷电路基板12所形成的低磁导率线圈部分15中，包括电学串联连接的线圈导电图样5的第一线圈La和许多孔32(参看图3)被形成。孔32的平均尺寸分别是5-20μm，低磁导率线圈部分15孔的体积含量(孔隙度)是30％-80％。低磁导率线圈部分15根据下述公式进行计算，假设孔(空气)的比重是0g/cm³：

低磁导率线圈部分15的孔隙度＝

{1-(W/V)/G}×100(％)

W：(烘烤后)只有低磁导率线圈部分15的陶瓷板12的总重

V：(烘烤后)只有低磁导率线圈部分15的陶瓷板12的体积

G：铁素体原材料的理论密度

如果孔隙度小于30％，介电常数增加，不可能充分减小介电常数。如果孔隙度超过了80％，在烘烤之后的低磁导率线圈部分15的机械强度减小，这就难于接着执行树脂填充等，这是不利的。

另一方面，在通过层叠高磁导率陶瓷印刷电路基板13所形成的高磁导率线圈部分16中，包括电学串联连接的线圈导电图样5的第二线圈Lb和较小数目的孔被形成。第二线圈Lb和第一线圈La被电学串联连接以形成螺旋线圈L。所述孔是通过在浆液形式的铁素体原材料被制备时所包括的气泡和粘结剂和分散剂的挥发性成分产生的。但是，形成在高磁导率线圈部分16中的孔的数目较小，并且孔隙度是10％或者更少。高磁导率线圈部分16的孔隙度根据下述公式进行计算：

高磁导率线圈部分16的孔隙度＝

{1-(W1/V1)/G}×100(％)

W1：(烘烤后)只有高磁导率线圈部分16的陶瓷板13的总重

V1：(烘烤后)只有高磁导率线圈部分16的陶瓷板13的体积

G：铁素体原材料的理论密度

此外，形成在低磁导率线圈部分15和高磁导率线圈部分16中的孔包括开口孔和闭合孔。高磁导率线圈部分16必须相对低磁导率线圈部分15具有较高的磁导率。根据单片电感器1的要求，蒸发孔形成介质可以被添加到高磁导率线圈部分16的陶瓷印刷电路基板。

接着，外电极21、22被形成在烧结陶瓷薄片20的两个端部表面上。外电极21、22通过用于抽出的通孔8电学连接到螺旋线圈L。各外电极21、22的被折叠部分在四个侧表面之上延伸。外电极21、22通过镀层、烘焙等来形成。

接着，烧结陶瓷薄片20被浸入到具有介电常数3.4的环氧树脂中(可选地在水溶玻璃中)，这样所述孔被填充环氧树脂，并且环氧数值薄膜被形成在被烧结的陶瓷薄片20的表面之上。接着，环氧树脂在150℃-180℃上固化(2小时)。由于外电极21、22的烘烤温度在大约850℃上较高，优选地外电极21、22在树脂注入之前被形成。

图3是显示了烧结陶瓷薄片20的低磁导率线圈部分15的一部分的放大横截面视图。多个孔32被形成在烧结陶瓷薄片20内。所述孔32被填充环氧树脂33，烧结陶瓷薄片20的表面也覆盖环氧树脂33。大约30％-70％体积的孔32被填充树脂33。即，孔32可以完全填充树脂33，或者所述孔32可以部分填充树脂33，在这样的情况下，孔34被形成在部分填充树脂33的孔33中。

接着，填充树脂的烧结陶瓷薄片20进行筒研磨，这样外电极21、22的金属表面被更稳定地暴露，电镀层通过镀镍和镀锡被形成在外电极21、22的表面之上。这样获得了图4中所示的单片电感器1。

在具有如上结构的单片电感器1中，由具有较小数目的孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分16具有较高的磁导率，具有较大数目的孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分15具有较低的磁导率。在第一实施例中，高磁导率线圈部分16具有430的初始磁导率，低磁导率线圈部分15具有133的初始磁导率。

此外，在由具有较小数目孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分16中，磁导率和介电常数较高，在具有较大数目的孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分15中，磁导率和介电常数较低。结果，线圈部分15的第一线圈La的电感低于线圈16中的第二线圈Lb的电感。在线圈部分15中与第一线圈La平行所形成的寄生电容Ca小于在线圈部分16中与第二线圈Lb平行所形成的寄生电容Cb。结果，包含第一线圈La和寄生电容Ca的LC平行谐振电路的谐振频率，即，Fa＝1/2π(LaCa)^1/2高于包含第二线圈Lb和寄生电容Cb的LC平行谐振电路的谐振频率，即Fb＝1/2π(LbCb)^1/2。结果，可以获得在较宽的范围中具有较高的阻抗的单片电感器1。

图5显示了单片电感器1的阻抗特征的图形。在图5中，实线41指示低磁导率线圈部分15的阻抗特征，实线42指示高磁导率线圈部分16的阻抗特征，实线43指示二者的合成阻抗特征。

从图像中很明显，可以获得其中噪音减小效果在高阻抗的较宽范围之上能够被实现的单片电感器1。

由于相同的铁素体材料被用作铁素体陶瓷材料，低磁导率线圈部分15和高磁导率线圈部分16之间的粘结介面上的粘结强度与包括非磁性中间层的传统单片电感器相比更强。此外，由于低磁导率线圈部分15的收缩率在烘烤的过程中基本等于高磁导率线圈部分16的收缩率，这就很容易实现满意的粘结。此外，线圈部分15、16的磁属性不会由于低磁导率线圈部分15和高磁导率线圈部分16之间的铁素体陶瓷材料的相互扩散而降低。

单片电感器1是水平缠绕类型电感器，其中陶瓷印刷电路基板12、13的叠置方向平行于陶瓷薄片20的安装表面并垂直于外电极21、22。具有不同的介电常数的线圈部分15、16在外电极21、22之间串联设置，寄生电容Ca、Cb主要在相对的外电极21、22之间产生。在第一实施例中，由具有较大数目的铁素体陶瓷所形成的线圈部分15的介电常数对由具有较少数目的孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分16的介电常数的比值大约是1/10。由于线圈部分15、16被串联安置，整个单片电极1的寄生电容被减小，可以提高高频特性。

此外，如果需要，分别容纳在线圈部分15、16中的第一线圈La和第二线圈Lb的缠绕方向可以相反。由此，第一线圈La和第二线圈Lb之间的磁耦合被抑制，通过低磁导率线圈部分15的第一线圈La所获得的高频噪音消除效果和通过高磁导率线圈部分16的第二线圈Lb所获得的低频噪音消除效果被独立显示，这样使得能够制造进一步改良的噪音消除效果的单片电感器1。

(第二实施例)

第二实施例是具有与第一实施例相同的结构的单片电感器。高磁导率陶瓷印刷电路基板和低磁导率陶瓷印刷电路基板被如同第一实施例使用相同的材料形成并通过相同的过程来形成，除了当高磁导率陶瓷印刷电路基板被形成时孔形成介质与铁素体材料混合之外，并且高磁导率线圈部分具有孔隙度20％。低磁导率陶瓷印刷电路基板如同第一实施例中那样形成，低磁导率线圈部分具有孔隙度60％。

根据第二实施例，可以获得与第一实施例的相同的特征，并且由于孔形成介质混合到高磁导率线圈部分和低磁导率线圈部分中，在两个线圈部分烘烤的过程中的收缩率彼此靠近，其间的粘结强度大于第一实施例的粘结强度。此外，由于高磁导率线圈部分注入了树脂，薄片的强度也被增加。

(第三实施例，图6和7)

如图6中所示，单片LC滤波器51包括线圈部分65和66，和设置在线圈部分65、66之间的电容器部分67。各线圈部分65、66包括设有线圈导电图样55和用于层间连接的通孔56的陶瓷印刷电路基板62，以及设有用于抽出的通孔58的陶瓷印刷电路基板62。电容器部分67包括设有电容器导电体59的陶瓷印刷电路基板63和设有电容器导电体60以及用于层间连接的通孔56的陶瓷印刷电路基板63。

陶瓷印刷电路基板63如第一实施例中的陶瓷印刷电路基板13那样制备，并且详细的描述将被省略。另一方面，陶瓷印刷电路基板62如第一实施例中的陶瓷印刷电路基板12那样制备，除了孔形成介质与铁素体原材料混合之外，这样孔隙度是80％，并且将省略详细的说明。

单独的板62、63被叠置并压力粘结，并执行烘烤。由此产生如图7所示的平行六面体烧结陶瓷薄片70。在通过叠置陶瓷印刷电路基板62所形成的线圈部分65、66中，线圈L1和L2(每个包括电学串联连接的导电图样55)和许多孔被形成。

另一方面，在通过叠置陶瓷印刷电路基板63所形成的电容器部分67中，包括相对电容器电极59、60的电容C和较小数目的孔被形成。电容器C和线圈L1和L2被电学连接以形成T型LC滤波器。

接着，外电极71、72、73被形成在烧结陶瓷薄片70的两个端部表面和中心上。外部电极71、72分别通过用于抽出的通孔58被电学连接到螺旋弹簧L1和L2。

接着，烧结陶瓷薄片70被浸入具有介电常数3.4的环氧树脂中(可选地在水溶玻璃中)，以注入树脂。填充树脂的烧结陶瓷薄片70进行筒研磨，然后电镀层被形成在外电极71-73的表面上。由此制造单片LC滤波器51。

在具有如上所述结构的单片LC滤波器51中，由具有较小孔的铁素体陶瓷所形成的电容器部分67具有较高的介电常数和较高的磁导率，由具有较大数目的孔的铁素体陶瓷所形成的线圈部分65，66具有较小的介电常数和低磁导率。在第三实施例中，电容器部分67具有初始磁导率430和介电常数14.5。线圈部分65和66每个具有初始磁导率65和介电常数4.0。

结果，线圈部分65、66的介电常数可以被减小，形成与每个线圈L1和L2平行的寄生电容可以被减小。结果，可以获得具有满意的高频特性的单片LC滤波器51。如上所述，通过在线圈部分65、66中形成孔，这样线圈部分65、66的介电常数减小，这就可能使用相同的铁素体陶瓷材料制造受寄生电容影响减小的单片LC滤波器51。

尽管第三实施例被设计，这样线圈部分65、66具有较大数目的孔，根据单片LC滤波器51的规定，电容器部分67可以具有较大数目的孔。

(其它实施例)

可以理解本发明不限于上述的实施例，并在不背离本发明的精神的情况下可以不同的修改和变化。

例如，本发明的单片陶瓷电子元件可以包括三个或者更多的具有不同的孔隙度的元件部分。单片陶瓷电子元件的示例包括单片阻抗元件、单片LC滤波器、单片电容器和单片变压器，除了单片电感器之外。单片电容器包括第一元件部分和第二元件部分，第一元件部分通过叠置具有较高的孔隙度的介电陶瓷层(即，具有较低介电常数的介电陶瓷层)所形成，第二元件部分通过叠置具有较低的孔隙度的介电陶瓷层(即，具有较高介电常数的介电陶瓷层)所形成。此外，作为陶瓷材料，诸如磁性陶瓷材料、介电陶瓷材料、半导体陶瓷材料和压电陶瓷材料的不同功能陶瓷材料可以被使用。

在所述实施例中，单个产品的示例被进行了描述。在大规模制造的情况下，当然，可以使用包含多个单片电感器的母层压块来执行所述制造。

此外，当单片陶瓷电子元件被制造时，在设有导电图样和通孔的陶瓷板被叠置时，用于一体烘烤被叠置的陶瓷板的方法没有特别限制。将被使用的陶瓷板可以预先烘烤。可选地，单片陶瓷电子元件可以通过如下所述的方法进行制造。即，陶瓷层可以通过将膏状的陶瓷材料通过压印(printing)等的镀层来形成，然后膏状的导电材料被施加到陶瓷层上以形成导电图样和通孔。此外，膏状的陶瓷材料被施加以形成陶瓷层。通过这样顺序重复镀层，可以获得具有层压结构的单片陶瓷电子元件。

工业应用性

如上所述，本发明在单片陶瓷电子元件中，诸如LC复合元件中是有用的，并且优异之处在于具有不同的介电常数和不同的磁导率的元件部分可以在不提供中间层的情况下用所需的强度彼此粘结。

Claims

1.一种单片陶瓷电子元件，包括：

第一元件部分，所述第一元件部分包括陶瓷层和内电极的薄片(laminate)；以及

第二元件部分，所述第二元件部分包括陶瓷层和内电极的薄片；

其中至少第一元件部分和第二元件部分被层叠以形成陶瓷薄片，第一元件部分的陶瓷层的孔隙度与第二元件部分的陶瓷层的孔隙度不同。

2.根据权利要求1所述的单片陶瓷电子元件，其特征在于，第一元件部分包含通过电学连接内电极而形成的第一线圈，第二元件部分包含通过电学连接内电极而形成的第二线圈，第一线圈和第二线圈电学连接以形成电感器。

3.根据权利要求1所述的单片陶瓷电子元件，其特征在于，第一元件部分包括通过电学连接内电极所形成的线圈，第二元件部分包含其中两个相邻的电极通过陶瓷层分离的电容器，第二元件部分的陶瓷层的孔隙度小于第一元件部分的陶瓷层的孔隙度，线圈和电容器电学连接以形成LC滤波器。

4.根据权利要求1-3任一所述的单片陶瓷电子元件，其特征在于，第一元件部分的陶瓷层和第二元件部分的陶瓷层包括相同的陶瓷材料。

5.一种用于制造单片陶瓷电子元件的方法，包括：

叠置陶瓷层和内电极以形成第一元件部分；

叠置陶瓷层和内电极以形成第二元件部分；以及

叠置至少第一元件部分和第二元件部分以形成陶瓷薄片，

其中混合到用于形成第一元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液中的粒状蒸发孔形成介质的量被设置不同于混合到用于形成第二元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液中的粒状蒸发孔形成介质的量，这样第一元件部分和第二元件部分具有不同的陶瓷层孔隙度。

6.根据权利要求5所述的制造单片陶瓷电子元件的方法，其特征在于，用于形成第一元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液或者用于形成第二元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液没有混合粒状蒸发孔形成介质。

7.根据权利要求5或6所述的制造单片陶瓷电子元件的方法，其特征在于，用于形成第一元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液和用于形成第二元件部分的陶瓷层的陶瓷浆液包括相同的陶瓷材料。