TWI587333B - Ceramic capacitor structure - Google Patents

Description

陶瓷電容結構

本發明係提供一種陶瓷電容結構，尤指利用陶瓷圍牆層生胚堆疊覆蓋於至少一電極層表面，讓介電陶瓷體薄化，且透過陶瓷圍牆層緊密結合於電極層表面以避免產生缺陷，以達到減小厚度、提高電容值及避免電氣跳弧之功效。

按，隨著電子產業的蓬勃發展，技術也不斷的精進，而研發都朝著輕薄短小的方向改良，是以，不僅是相關的結構、殼體或散熱構件等都在縮小體積，且在電子元件的領域中也是被客戶要求縮小體積，但對電容產品來說，因為有電容值的要求，所以必須在不減少電容值的狀況下縮小體積，才能有效的減少佔用空間，否則體積與電容值變小後，產品內卻需要裝設更多顆的電容，就沒有減少佔用空間的效果了，此外，因為電容會產生跳弧(Arcing)的問題，便需要解決跳弧的問題，所以研發方向就必須同時具有縮小體積、提高電容值及避免跳弧之功效。

請參閱第十二圖所示，習知的方式為利用印刷方式在陶瓷層A表面製造電極A0，但容易產生高低不平或是凹陷等缺陷，上述缺陷容易造成後續表面絕緣披覆不完全，而產生氣泡與微小孔洞等問題，而氣泡相對於絕緣材料來說介電係數較低，陶瓷材料的等效電容大於絕緣材料 的等效電容大於氣泡的等效電容，使得電場會集中在氣泡中，且隨著氣體壓力大小或其他因素便會讓氣泡內的電場增強，並使得氣泡內的氣體游離化，當陶瓷電容的電壓升高時，氣泡的等效電容最小所以最容易被破壞而產生跳弧，當氣泡被擊穿後便會瞬間短路，則大量電流就會造成破壞，使得陶瓷電容的耐電壓下降，且會連鎖的造成陶瓷材料及絕緣材料的破壞，甚至會產生陶瓷電容燒毀的問題，尤其是W小於T時的邊緣處更是容易產生跳弧。

是以，便有廠商研發出一種陶瓷電容，請參閱第十三圖所示，其具有塊狀陶瓷層A，陶瓷層A具有中央部A1及其周圍朝上凸起具較大厚度之增厚部A2，陶瓷層A下表面設有平板狀下電極B，陶瓷層A上表面設有上電極C，上電極C具有位於中央部A1上表面之凹陷部C1，凹陷部C1外側延伸彎曲有位於增厚部A2上表面之凸起部C2，其主要是利用增厚部A2來將下電極B與上電極C凸起部C2之距離增大，以提高耐電壓值之目的，此產品雖可解決耐電壓值的問題並縮小體積，但因為增厚部A2讓下電極B與上電極C之距離增大，所以產品的電容值也會隨之降低，且因下電極B周緣與上電極C凸起部C2外周緣仍然會產生高低不平或凹陷之缺陷。

上述陶瓷電容製作後，會在外部塗佈絕緣材料來形成絕緣體，其絕緣體內部會具有氣泡及雜質，而氣泡及雜質相對於絕緣材料來說介電係數較低，是以，上述的陶瓷電容在塗佈絕緣體後，並無法透過絕緣體來避免產生跳弧。

上述習用之陶瓷電容，因具有諸多問題與缺失，此即為本 發明人與從事此行業者所亟欲改善之目標所在。

故，發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種陶瓷電容結構的發明專利者。

本發明之主要目的乃在於利用第一介電陶瓷材料製作介電陶瓷體生胚，將電極層印刷於介電陶瓷體生胚上、下表面，再利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層生胚，由於陶瓷圍牆層堆疊覆蓋於至少一導電層表面，利用陶瓷圍牆層緊密結合於電極層表面來解決製作時表面產生之缺陷，且其缺陷造成絕緣外層披覆不完全，產生氣泡與微小孔洞而易產生電器跳弧之問題，所以就可以減小介電陶瓷體的厚度，進而達到減小產品厚度、提高電容值及避免電氣跳弧之三重功效。

本發明之次要目的乃在於利用第一介電陶瓷材料製成介電陶瓷體，且利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層，並將陶瓷圍牆層生胚堆疊覆蓋於至少一電極層表面，因為陶瓷圍牆層具有不易因碰撞產生毀損之優點，即可達到避免產品毀損之目的。

1‧‧‧介電陶瓷體

2‧‧‧電極層

3‧‧‧陶瓷圍牆層

30‧‧‧鏤空槽

4‧‧‧導電層

5‧‧‧接腳

51‧‧‧對接部

52‧‧‧焊錫

6‧‧‧絕緣外層

A‧‧‧陶瓷層

A0‧‧‧電極

A1‧‧‧中央部

A2‧‧‧增厚部

B‧‧‧下電極

C‧‧‧上電極

C1‧‧‧凹陷部

C2‧‧‧凸起部

第一圖 係為本發明介電陶瓷體生胚之側視剖面圖。

第二圖 係為本發明印刷電極層後之側視剖面圖。

第三圖 係為本發明陶瓷圍牆層堆疊後之側視剖面圖。

第四圖 係為本發明二次金屬化後之側視剖面圖。

第五圖 係為本發明矩形電容夾腳後之俯視圖。

第六圖 係為本發明圓形電容夾腳後之俯視圖。

第七圖 係為本發明矩形電容塗佈絕緣外層後之俯視圖。

第八圖 係為本發明圓形電容塗佈絕緣外層後之俯視圖。

第九圖 係為本發明較佳實施例之步驟流程圖。

第十圖 係為本發明另一實施例之步驟流程圖。

第十一圖 係為本發明另一實施例堆疊後之立體外觀圖。

第十二圖 係為習用之側視剖面圖。

第十三圖 係為另一習用之側視剖面圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二、三、四、五、六、七、八圖所示，由圖中可以清楚看出，其陶瓷電容包括介電陶瓷體1、二電極層2、二陶瓷圍牆層3、二導電層4、二接腳5及絕緣外層6，介電陶瓷體1可為矩形體或是圓板型等幾何形狀塊體，介電陶瓷體1上表面及下表面分別設有電極層2，且二電極層2外側壁對應於介電陶瓷體1之外側壁，至少一電極層2表面再設有罩覆局部電極層2之環狀陶瓷圍牆層3，陶瓷圍牆層3中央具有露出電極層2之鏤空槽30，且陶瓷圍牆層3外側壁為齊平於介電陶瓷體1及電極層2外側壁，鏤空槽30內設有罩覆於電極層2外表面之導電層4，導電層4未超出陶瓷圍牆層3遠離介電陶瓷體1之表面，再於二 陶瓷圍牆層3之相對外側分別設有接腳5，接腳5一端設有延伸越過陶瓷圍牆層3至外部之對接部51，接腳5另端為延伸至導電層4上表面並設有焊錫52，再於介電陶瓷體1、電極層2、陶瓷圍牆層3、鏤空槽30、導電層4及接腳5外部覆蓋有密閉狀之絕緣外層6，且二接腳5之對接部51露出於絕緣外層6外部。

請參閱第一、二、三、四、五、六、七、八、九圖所示，上述陶瓷電容於製造之流程步驟為包括：(700)製作介電陶瓷體1生胚，利用介電係數(k)大於20且小於20000之第一介電陶瓷材料製成預定厚度之介電陶瓷體1生胚，第一介電陶瓷材料可為鈦酸鋇為主體的介電材料。

(701)印刷電極層2，將匹配鈦酸鋇膨脹系數的導電材質之電極層2印刷於介電陶瓷體1生胚之上表面及下表面，電極層2與介電陶瓷體1生胚外側壁之間無間距。

(702)製作陶瓷圍牆層3生胚，利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層3生胚，第二介電陶瓷材料可為鈦酸鋇為主體的介電材料。

(703)堆疊，將陶瓷圍牆層3生胚堆疊覆蓋於至少一電極層2表面，且陶瓷圍牆層3生胚中央具有露出電極層2之鏤空槽30，位於介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚之間的電極層2外側壁呈外露狀。

(704)脫脂，升溫到高分子結合物揮發的溫度(250℃-600℃)，且保持溫度一預定時間(約2-10小時)將介電陶 瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚中的高分子汽化揮發乾淨。

(705)燒結，升溫到達陶瓷相變化溫度點(1200℃-1400℃)將介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚燒成陶瓷體，且陶瓷圍牆層3的寬度W與介電陶瓷體1之厚度T的比值大於或等於1。

(706)二次金屬化，於陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出的電極層2表面形成有耐焊接之導電層4。

(707)夾腳，將二接腳5之一端焊接於鏤空槽30內露出之導電層4，且接腳5越過陶瓷圍牆層3使其一端對接部51位於外部。

(708)塗佈絕緣外層6，將樹脂塗佈於介電陶瓷體1、電極層2、陶瓷圍牆層3、鏤空槽30、導電層4及接腳5表面形成絕緣外層6，且二接腳5之對接部51露出於絕緣外層6外部。

上述製造之流程步驟中，需利用介電係數(k)大於20且小於20000之第一介電陶瓷材料製成介電陶瓷體1生胚，完成之產品才能具有足夠的電容值，而電極層2為利用調配好匹配鈦酸鋇熱膨脹系數的導電材質所製成，當後續作業中經過燒結處理後，因為電極層2之熱膨脹系數匹配鈦酸鋇(介電陶瓷體1及陶瓷圍牆層3)，才不會因為熱漲冷縮產生型變或損壞，以提高生產良率，該介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚，可為乾式製程製作或濕式淋膜方式製作，乾式製程製作為將陶瓷材料調成漿狀，使用塗佈設備將其平鋪於PET膜上製成帶狀，濕式淋膜方式製作為將陶瓷材料調成漿狀直接使用淋膜法製成產品。

上述之介電陶瓷體1生胚之第一介電陶瓷材料及陶瓷圍牆 層3生胚之第二介電陶瓷材料內，因為要進行塑形而需添加溶劑或黏結劑等高分子結合物，所以在堆疊後，需進行步驟(704)之脫脂作業，在大氣或氮氣的環境下，先升溫到250℃-600℃，並保持溫度約2-10小時，其溫度及保持溫度時間視介電陶瓷體1生胚厚度、陶瓷圍牆層3生胚厚度、第一介電陶瓷材料配方及第二介電陶瓷材料配方改變，讓介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚內之高分子結合物汽化並揮發乾淨；之後再進行步驟(705)之燒結作業，為升溫到1200℃-1400℃，讓介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚燒成陶瓷體以形成介電陶瓷體1及陶瓷圍牆層3。

燒結後，則進行步驟(706)之二次金屬化作業，其於陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出的電極層2表面形成有耐焊接之導電層4，導電層4的金屬化作業方法可為沉積或印刷覆蓋方式，沉積方式可為化學沉積法或物理沉積法，化學沉積法為無電解電鍍(例如化學鍍鎳、化學鍍錫或化學鍍銅)或電解電鍍(例如電解鍍鎳、電解鍍錫或電解鍍銅)，物理沉積法為濺鍍或離子鍍(例如將Ni(鎳)、Ni-Cr(鎳鉻)、Ti(鈦)、Ti-W(鈦鎢)或Cu(銅)等耐焊金屬沉積於表面)，而印刷覆蓋方式為將耐焊材料(例如Ag(銀)、Ag-Pd(銀鈀)、Ag-Pt(銀鉑)、Cu(銅)或Ni(鎳)等金屬或合金)調成膏狀直接二次印刷覆蓋於陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出的電極層2表面。

之後再將二接腳5焊接於鏤空槽30內露出之導電層4，且將樹脂塗佈於介電陶瓷體1、電極層2、陶瓷圍牆層3、鏤空槽30、 導電層4及接腳5表面形成絕緣外層6，接腳5一端越過陶瓷圍牆層3位於外部之對接部51也沒有被絕緣外層6包覆，使用時便可利用二接腳5電性連接於預設電路板上。

請參閱第一、二、三、四、五、六、七、八、十、十一圖所示，上述之陶瓷電容製造之流程步驟，為製造單一陶瓷電容，但另一實施例為同時製造多個陶瓷電容，其製造之流程步驟為包括：(800)製作介電陶瓷體1生胚，利用介電係數(k)大於20且小於20000之第一介電陶瓷材料製成預定厚度之介電陶瓷體1生胚，第一介電陶瓷材料可為鈦酸鋇為主體的介電材料。

(801)印刷電極層2，將匹配鈦酸鋇膨脹系數的導電材質之複數個電極層2陣列狀印刷於介電陶瓷體1生胚之上表面及下表面，電極層2與介電陶瓷體1生胚外側壁之間無間距。

(802)製作陶瓷圍牆層3生胚，利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層3生胚，第二介電陶瓷材料可為鈦酸鋇為主體的介電材料，且陶瓷圍牆層3生胚具有對應各電極層2呈陣列狀之複數鏤空槽30。

(803)堆疊，將陶瓷圍牆層3生胚堆疊覆蓋於至少一電極層2表面，且陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出電極層2，位於介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚之間的電極層2外側壁呈外露狀。

(804)切割，使用機械加工方式將介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚依照各電極層2切成陣列之複數個預定形狀，其預定形狀可為方型或是圓形等固定幾何形狀，即產生複數個半成品。

(805)脫脂，升溫到高分子結合物揮發的溫度(250℃-600℃)，且保持溫度一預定時間(約2-10小時)將複數個半成品之介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚中的高分子汽化揮發乾淨。

(806)燒結，升溫到達陶瓷相變化溫度點(1200℃-1400℃)，以將複數個半成品之介電陶瓷體1生胚及陶瓷圍牆層3生胚燒成陶瓷體，且各半成品之陶瓷圍牆層3的寬度W與介電陶瓷體1的厚度T的比值大於或等於1。

(807)二次金屬化，各半成品於陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出的電極層2表面形成有耐焊接之導電層4。

(808)夾腳，將二接腳5之一端焊接於各半成品鏤空槽30內露出之導電層4，且接腳5越過陶瓷圍牆層3使其一端對接部51位於外部。

(809)塗佈絕緣外層6，將樹脂塗佈於各半成品的介電陶瓷體1、電極層2、陶瓷圍牆層3、鏤空槽30、導電層4及接腳5表面形成絕緣外層6，且二接腳5之對接部51露出於絕緣外層6外部。

上述另一實施例製造之流程步驟中，為於介電陶瓷體1生胚之上表面及下表面同時印刷複數個電極層2呈陣列狀，再於陶瓷圍牆層3生胚上形成有對應各電極層2呈陣列狀之複數鏤空槽30，便可單次作業將單一陶瓷圍牆層3生胚堆疊覆蓋於電極層2與介電陶瓷體1生胚上方，之後便可進行切割作業來產生複數個半成品，其切割作業可利用刀具將介電陶瓷體1、複數個電極層2及陶瓷圍牆層3切割成為方型，亦可使用 模具沖壓成為圓型或其他固定的幾何形狀(如三角形或菱形等)，由於單一次的作業便可生產複數個陶瓷電容半成品，所以便可節省作業程序且減少作業時間，進而達到大量生產及降低成本之目的。

由於電容計算公式為C=ε＊A/d，C為電容量，單位為法拉(F)，ε為介電係數，A為面積，單位為平方公尺(m²)，d為距離，單位為公尺(m)，距離d即為二電極層2及二導電層4之間的介電陶瓷體1厚度，所以介電陶瓷體1薄化後便可讓產品的電容值增高，而在介電陶瓷體1厚度變小之後，二導電層4之間的距離變短而容易在高壓狀況下由外部空氣中產生電氣跳弧(Arcing)的問題，又因為利用了陶瓷圍牆層3罩覆了電極層2，而僅由陶瓷圍牆層3中央之鏤空槽30內露出導電層4，便可利用介電陶瓷體1、電極層2及陶瓷圍牆層3一起在高溫下共燒，藉由陶瓷特性讓陶瓷圍牆層3緊密結合於電極層2表面，絕緣外層6則是披覆在陶瓷圍牆層3表面，即可避免因電極層2表面產生的缺陷(如高低不平或凹陷)讓絕緣外層6塗佈時產生披覆不完全，而產生氣泡與微小孔洞等問題，便會避免產生電氣跳弧之情況，所以產品就不容易損壞。

再者，當電極層2表面因燒結凸起或不平時，容易產生較強的電場，而使得表面電場不均，但電極層2燒結後，又於陶瓷圍牆層3之鏤空槽30內露出的電極層2表面形成有耐焊接之導電層4，所以表面就不會因燒結產生凸起或不平，即可讓電場均勻，以降低於外部空氣中產生電氣跳弧之情形，進而達到提升產品壽命及使用安全之目的。

此外，因為介電係數(k)大於20且小於20000之 第一介電陶瓷材料製成預定厚度之介電陶瓷體1生胚，所以產品的介電陶瓷體1便可具有較高的電容值，再者，又利用第二介電陶瓷材料製作陶瓷圍牆層3生胚，位於外層之陶瓷圍牆層3具有較大強度也會讓產品不易碰撞毀損。

故，本發明為主要針對陶瓷電容結構，而可於第一介電陶瓷材料製作之介電陶瓷體生胚上、下表面印刷電極層，再利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層生胚堆疊覆蓋於至少一電極層表面，之後依序進行脫脂及燒結，以降低介電陶瓷體厚度及利用陶瓷圍牆層緊密結合於電極層表面以避免產生缺陷為主要保護重點，並具有減小產品厚度、提高電容值及避免電氣跳弧之優勢，惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明上述之陶瓷電容結構於實施、操作時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦研發，倘若 鈞局貴審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，至感德便。

1‧‧‧介電陶瓷體

2‧‧‧電極層

3‧‧‧陶瓷圍牆層

30‧‧‧鏤空槽

4‧‧‧導電層

Claims (9)

1. 一種陶瓷電容結構，其包括介電陶瓷體、二電極層、二陶瓷圍牆層、二導電層、二接腳及絕緣外層，利用介電係數(k)大於20且小於20000之第一介電陶瓷材料製成預定厚度之介電陶瓷體生胚，介電陶瓷體上表面及下表面分別設有電極層，且二電極層外側壁對應於介電陶瓷體之外側壁，電極層與介電陶瓷體生胚外側壁之間無間距，至少一電極層介電陶瓷體上表面及下表面再分別設有罩覆局部電極層之環狀陶瓷圍牆層，利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層生胚，陶瓷圍牆層中央具有露出電極層之鏤空槽，且陶瓷圍牆層外側壁為齊平於介電陶瓷體外側壁，位於介電陶瓷體生胚及陶瓷圍牆層生胚之間的電極層外側壁呈外露狀，且陶瓷圍牆層的寬度與介電陶瓷體之厚度的比值大於或等於1，鏤空槽內設有罩覆於電極層外表面之導電層，導電層未超出陶瓷圍牆層遠離介電陶瓷體之表面，再於二陶瓷圍牆層之相對外側分別設有接腳，接腳一端設有延伸越過陶瓷圍牆層至外部之對接部，接腳另端為延伸至導電層上表面並設有焊錫，再於介電陶瓷體、電極層、陶瓷圍牆層、鏤空槽、導電層及接腳外部覆蓋有密閉狀之絕緣外層，且二接腳之對接部露出於絕緣外層外部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電容結構，其中該第一介電陶瓷材料為鈦酸鋇為主體的介電材料，介電陶瓷體為矩形體或圓板型。
3. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電容結構，其中該第二介電陶瓷材料為鈦酸鋇為主體的介電材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電容結構，其中該導電層可為鎳、 錫、銅、銀或鈦之金屬或其合金。
5. 一種陶瓷電容結構，其包括介電陶瓷體、二電極層、二陶瓷圍牆層及二導電層，利用介電係數(k)大於20且小於20000之第一介電陶瓷材料製成預定厚度之介電陶瓷體生胚，介電陶瓷體上表面及下表面分別設有電極層，且二電極層外側壁對應於介電陶瓷體之外側壁，電極層與介電陶瓷體生胚外側壁之間無間距，介電陶瓷體上表面及下表面再分別設有罩覆局部電極層之環狀陶瓷圍牆層，利用第二介電陶瓷材料製成陶瓷圍牆層生胚，陶瓷圍牆層中央具有露出電極層之鏤空槽，且陶瓷圍牆層外側壁為齊平於介電陶瓷體外側壁，位於介電陶瓷體生胚及陶瓷圍牆層生胚之間的電極層外側壁呈外露狀，且陶瓷圍牆層的寬度與介電陶瓷體之厚度的比值大於或等於1，鏤空槽內設有罩覆於電極層外表面之導電層，導電層未超出陶瓷圍牆層遠離介電陶瓷體之表面。
6. 如申請專利範圍第5項所述之陶瓷電容結構，其中該第一介電陶瓷材料為鈦酸鋇為主體的介電材料，介電陶瓷體為矩形體或圓板型。
7. 如申請專利範圍第5項所述之陶瓷電容結構，其中該第二介電陶瓷材料為鈦酸鋇為主體的介電材料。
8. 如申請專利範圍第5項所述之陶瓷電容結構，其中該導電層可為鎳、錫、銅、銀或鈦之金屬或其合金。
9. 如申請專利範圍第5項所述之陶瓷電容結構，其中該二陶瓷圍牆層之相對外側分別設有接腳，接腳一端設有延伸越過陶瓷圍牆層至外部之對接部，接腳另端為延伸至導電層上表面並設有焊錫，再於介電陶瓷 體、電極層、陶瓷圍牆層、鏤空槽、導電層及接腳外部覆蓋有密閉狀之絕緣外層，且二接腳之對接部露出於絕緣外層外部。