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CN114093672A - 一种埋入式钽电解电容器及其制备方法 - Google Patents

一种埋入式钽电解电容器及其制备方法 Download PDF

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CN114093672A CN202010857623.6A CN202010857623A CN114093672A CN 114093672 A CN114093672 A CN 114093672A CN 202010857623 A CN202010857623 A CN 202010857623A CN 114093672 A CN114093672 A CN 114093672A
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Abstract

本发明公开了一种埋入式钽电解电容器及其制备方法，所述埋入式钽电解电容器包括陶瓷片、钽芯子、阳极引线、银浆层、软态镍引线；所述陶瓷片的表面设有凹槽，所述凹槽的内部设有钽芯子，所述钽芯子的表面依次设有五氧化二钽层、导电聚合物层、碳层；所述阳极引线与钽芯子相连，所述软态镍引线通过银浆层与碳层连接。本发明的电容器很薄，其厚度为0.05～0.2mm，并拥有可观的电容密度。

Description

一种埋入式钽电解电容器及其制备方法
技术领域
本发明属于埋入式电容器技术领域，涉及一种可埋入分立式半密封固体电解质钽电容器。
背景技术
随着芯片制造技术和三维电子封装技术的发展，电子终端设备对无源器件的尺寸和性能提出了更高的要求。印刷电路板(PCB)的多功能化、高度集成化是影响电子封装技术的关键因素。在一个微电子设备中，无源器件约占所有器件的80％，其中60％为电容。将占有大量PCB空间的无源器件集成在PCB里面将节省大量PCB表面空间，更有利于高密度集成封装技术的发展。电容器在集成电路(IC)中具有去耦、滤波、稳定电源的重要作用。埋入式电容是实现高度集成电路板的重要技术之一，埋入式电容比贴片电容具有更小的寄生电感和电阻，系统的稳定性会得到改善。目前，商用的埋入式电容主要是金属层-介质层-金属层结构，介质层以有机/无机复合薄膜为主，这种埋入式电容的电容容量较小，使得高密度集成电路发展受到限制。
发明内容
为了解决埋入式电容容量小的问题，本发明的目的在于提供一种可埋入分立式钽电解电容器及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种埋入式钽电解电容器，包括陶瓷片、钽芯子、阳极引线、银浆层、软态镍引线；
所述陶瓷片的表面设有凹槽，所述凹槽的内部设有钽芯子，所述钽芯子的表面依次设有五氧化二钽层、导电聚合物层、碳层；
所述阳极引线与钽芯子相连，所述软态镍引线通过银浆层与碳层连接。
其中五氧化二钽在电容器件中起介质层的作用，导电聚合物附着在介质层表面，作用为作为电容的阴极并充分引出电容。碳层和银浆层是过渡层，起保护阴极材料和更好的与软态镍引线相连接的作用。
进一步地，所述陶瓷片与钽芯子为一个整体。
进一步地，所述阳极引线为钽箔或者钽丝。
进一步地，所述陶瓷片为三氧化二铝陶瓷片。
进一步地，所述导电聚合物层为聚3,4-乙烯二氧噻吩层或聚吡咯层。
进一步地，所述钽芯子制备所用的钽粉粒径为0.4μm至10μm。
进一步地，所述陶瓷片的长为2～10mm，宽为2～10mm，厚度为0.05～0.2mm。
进一步地，所述凹槽为任意形状。
进一步地，所述凹槽面积占陶瓷片总表面积的18％～76％，所述凹槽深度为陶瓷片厚度的50％～100％。
进一步地，所述钽箔厚度或钽丝直径占钽芯子厚度的10％～50％。
进一步地，所述银浆层厚度为钽芯子厚度的5％～10％，所述软态镍引线厚度为钽芯子厚度的5％～10％。
进一步地，所述钽芯子的大小与凹槽相匹配，即钽芯子厚度与陶瓷片的凹槽深度相同，钽芯子的几何形状与陶瓷片凹槽的几何形状相同。
另一方面，本发明提供了一种上述任一所述的埋入式钽电解电容器的制备方法，包括以下步骤：
1)将钽粉和有机小分子混合成钽浆料；
2)将陶瓷片表面加工出凹槽；
3)将钽浆料填充到陶瓷片的凹槽中，然后埋入阳极引线，并进行烘干；烘干后进行预烧和烧结；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽氧化层；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物溶液并烘干，反复多次使导电聚合物均匀附着在五氧化二钽氧化层表面；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并烘干；
7)使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；银浆层和软态镍的作用为引出阴极；
其中，1)和2)的步骤没有先后顺序。
进一步地，所述有机小分子选自低分子量聚乙烯醇、1，2-丙二醇、樟脑中的一种或几种的组合；
优选地，所述钽浆料中钽粉的质量分数为70％～80％；
优选地，所述钽粉粒径为0.4μm～10μm；
优选地，所述陶瓷片为三氧化二铝陶瓷片；
优选地，所述陶瓷片的长为2～10mm，宽为2～10mm，厚度为0.05～0.2mm；
优选地，所述凹槽为任意形状；
优选地，所述凹槽面积占陶瓷片总表面积的18％～76％，所述凹槽深度为陶瓷片厚度的50％～100％；
优选地，所述阳极引线为钽箔或钽丝；
优选地，所述钽箔厚度或钽丝直径占钽芯子厚度的10％～50％；
优选地，3)中所述烘干的温度为50～100℃；
优选地，所述预烧的温度为100～400℃，时间为0.5小时～1小时；
优选地，所述烧结的温度为1200-1600℃，时间为1～10分钟；
优选地，所述磷酸电解液的质量分数为0.05％～1％；
优选地，所述直流电压为5～90V；
优选地，所述导电聚合物溶液为聚3,4-乙烯二氧噻吩或聚吡咯；
优选地，5)中所述烘干的温度为80～120℃；
优选地，6)中所述烘干的温度为150℃，时间为1～2小时；
优选地，所述银浆层厚度为钽芯子厚度的5％～10％，所述软态镍引线厚度为钽芯子厚度的5％～10％。
本发明的有益效果是：本发明利用陶瓷片框架作为模具，将钽粉填充模具并烧结成较薄的钽芯子的方法来制作钽电解电容器，该方法做出的电容很薄，其厚度为0.05～0.2mm，使其可以埋入到PCB板里面；
目前市场上的埋入式电容主要以聚合物基填充陶瓷材料的复合材料为主，其电容密度只有几nF/mm2，而本申请拥有可观的电容密度，8V氧化电压条件下，电容密度为50nF/mm2～1000nF/mm2；
本申请采用三氧化二铝陶瓷片，一方面三氧化二铝陶瓷片充当模具来制作较薄的钽芯子，钽芯子制作需要经过高温烧结，三氧化二铝陶瓷片具有价格低廉且不与钽粉反应的特点，且经过实验验证，钽粉能够与三氧化二铝烧结成一个整体；另一方面由于埋入式钽电容没有经过环氧塑封，而且在埋入到电路板过程中需要经过压合和固化步骤，此时电容不能够受到较大应力作用，否侧电容参数会发生变化，因此三氧化二铝陶瓷框架起保护作用，增加电容的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述可埋入分立式钽电解电容器的结构示意图；
其中，1.陶瓷片，2.钽芯子，3.阳极引线，4.银浆层，5.软态镍引线。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例中展示4个相同条件下制作出的埋入式钽电解电容器的性能。
埋入式钽电解电容器的制备方法如下：
1)将粒径为0.4～1微米的钽粉与1，2-丙二醇按质量比4：1配成钽浆料待用；
2)将三氧化二铝陶瓷片表面加工出凹槽；其中陶瓷片边长为10*10毫米，厚度为200微米，凹槽深度为陶瓷片厚度的100％，开孔为正方形，开孔面积占比为36％；
3)将陶瓷片模具放在材质为三氧化二铝的陶瓷基板上面，并将钽浆料均匀的涂覆在陶瓷片的凹槽中，将厚度为10微米，长度为4毫米，宽度为2毫米的钽箔埋入钽浆里面，其中埋入尺寸为2*2毫米，然后在100℃下进行烘干，烘干后进行300℃预烧30分钟，然后放进高温炉里面进行1400℃烧结2分钟；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加8V直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽介质层；然后进行清洗和烘干处理；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液并于120℃下烘干，反复多次使钽芯子表面附着足够多的导电聚合物；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并于150℃下烘干1小时。
7)使用银浆和软态镍将阴极引出，即使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；其中银浆层厚度为20微米，软态镍厚度为20微米。然后在100Hz下测试电容值。测试结果如下：
Figure BDA0002647001630000041
实施例2
本实施例中展示4个相同条件下制作出的埋入式钽电解电容器的性能。
埋入式钽电解电容器的制备方法如下：
1)将粒径为1～3微米的钽粉与1，2-丙二醇按质量比4：1配成钽浆料待用；
2)将三氧化二铝陶瓷片表面加工出凹槽；其中陶瓷片边长为10*10毫米，厚度为200微米，凹槽深度为陶瓷片厚度的100％，开孔为正方形，开孔面积占比为36％；
3)将陶瓷片模具放在材质为三氧化二铝的陶瓷基板上面，并将钽浆料均匀的涂覆在陶瓷片的凹槽中，将厚度为10微米，长度为4毫米，宽度为2毫米的钽箔埋入钽浆里面，其中埋入尺寸为2*2毫米，然后在100℃下进行烘干，烘干后进行300℃预烧30分钟，然后放进高温炉里面进行1400℃烧结2分钟；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加8V直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽介质层；然后进行清洗和烘干处理；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液并于120℃下烘干，反复多次使钽芯子表面附着足够多的导电聚合物；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并于150℃下烘干1小时。
7)使用银浆和软态镍将阴极引出，即使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；其中银浆层厚度为20微米，软态镍厚度为20微米。然后在100Hz下测试电容值。测试结果如下：
Figure BDA0002647001630000051
实施例3
本实施例中展示4个相同条件下制作出的埋入式钽电解电容器的性能。
埋入式钽电解电容器的制备方法如下：
1)将粒径为3～5微米的钽粉与1，2-丙二醇按质量比4：1配成钽浆料待用；
2)将三氧化二铝陶瓷片表面加工出凹槽；其中陶瓷片边长为10*10毫米，厚度为200微米，凹槽深度为陶瓷片厚度的100％，开孔为正方形，开孔面积占比为36％；
3)将陶瓷片模具放在材质为三氧化二铝的陶瓷基板上面，并将钽浆料均匀的涂覆在陶瓷片的凹槽中，将厚度为10微米，长度为4毫米，宽度为2毫米的钽箔埋入钽浆里面，其中埋入尺寸为2*2毫米，然后在100℃下进行烘干，烘干后进行300℃预烧30分钟，然后放进高温炉里面进行1400℃烧结2分钟；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加8V直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽介质层；然后进行清洗和烘干处理；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液并于120℃下烘干，反复多次使钽芯子表面附着足够多的导电聚合物；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并于150℃下烘干1小时。
7)使用银浆和软态镍将阴极引出，即使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；其中银浆层厚度为20微米，软态镍厚度为20微米。然后在100Hz下测试电容值。测试结果如下：
Figure BDA0002647001630000061
实施例4
本实施例中展示4个相同条件下制作出的埋入式钽电解电容器的性能。
埋入式钽电解电容器的制备方法如下：
1)将粒径为3～5微米的钽粉与1，2-丙二醇按质量比4：1配成钽浆料待用；
2)将三氧化二铝陶瓷片表面加工出凹槽；其中陶瓷片边长为10*10毫米，厚度为200微米，凹槽深度为陶瓷片厚度的100％，开孔为正方形，开孔面积占比为36％；
3)将陶瓷片模具放在材质为三氧化二铝的陶瓷基板上面，并将钽浆料均匀的涂覆在陶瓷片的凹槽中，将厚度为10微米，长度为4毫米，宽度为2毫米的钽箔埋入钽浆里面，其中埋入尺寸为2*2毫米，然后在100℃下进行烘干，烘干后进行300℃预烧30分钟，然后放进高温炉里面进行1250℃烧结10分钟；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加8V直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽介质层；然后进行清洗和烘干处理；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液并于120℃下烘干，反复多次使钽芯子表面附着足够多的导电聚合物；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并于150℃下烘干1小时。
7)使用银浆和软态镍将阴极引出，即使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；其中银浆层厚度为20微米，软态镍厚度为20微米。然后在100Hz下测试电容值。测试结果如下：
Figure BDA0002647001630000062
实施例5
本实施例中展示4个相同条件下制作出的埋入式钽电解电容器的性能。
埋入式钽电解电容器的制备方法如下：
1)将粒径为0.4～1微米的钽粉与1，2-丙二醇按质量比4：1配成钽浆料待用；
2)将三氧化二铝陶瓷片表面加工出凹槽；其中陶瓷片边长为10*10毫米，厚度为200微米，凹槽深度为陶瓷片厚度的100％，开孔为正方形，开孔面积占比为36％；
3)将陶瓷片模具放在材质为三氧化二铝的陶瓷基板上面，并将钽浆料均匀的涂覆在陶瓷片的凹槽中，将厚度为10微米，长度为4毫米，宽度为2毫米的钽箔埋入钽浆里面，其中埋入尺寸为2*2毫米，然后在100℃下进行烘干，烘干后进行300℃预烧30分钟，然后放进高温炉里面进行1250℃烧结5分钟；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加8V直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽介质层；然后进行清洗和烘干处理；
5)将赋能完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液并于120℃下烘干，反复多次使钽芯子表面附着足够多的导电聚合物；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并于150℃下烘干1小时。
7)使用银浆和软态镍将阴极引出，即使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；其中银浆层厚度为20微米，软态镍厚度为20微米。然后在100Hz下测试电容值。测试结果如下：
Figure BDA0002647001630000071
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种埋入式钽电解电容器，其特征在于，包括陶瓷片(1)、钽芯子(2)、阳极引线(3)、银浆层(4)、软态镍引线(5)；
所述陶瓷片(1)的表面设有凹槽，所述凹槽的内部设有钽芯子(2)，所述钽芯子(2)的表面依次设有五氧化二钽层、导电聚合物层、碳层；
所述阳极引线(3)与钽芯子(2)相连，所述软态镍引线(5)通过银浆层(4)与碳层连接。
2.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述阳极引线(3)为钽箔或者钽丝。
3.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述陶瓷片(1)为三氧化二铝陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述导电聚合物层为聚3,4-乙烯二氧噻吩层或聚吡咯层。
5.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述钽芯子(2)制备所用的钽粉粒径为0.4μm至10μm。
6.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述陶瓷片(1)的长为2～10mm，宽为2～10mm，厚度为0.05～0.2mm；
优选地，所述凹槽为任意形状；
优选地，所述凹槽面积占陶瓷片(1)总表面积的18％～76％，所述凹槽深度为陶瓷片(1)厚度的50％～100％。
7.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述钽箔厚度或钽丝直径占钽芯子(2)厚度的10％～50％。
8.根据权利要求1所述的埋入式钽电解电容器，其特征在于，所述银浆层(4)厚度为钽芯子(2)厚度的5％～10％，所述软态镍引线(5)厚度为钽芯子(2)厚度的5％～10％。
9.权利要求1-8任一所述的埋入式钽电解电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将钽粉和有机小分子混合成钽浆料；
2)将陶瓷片表面加工出凹槽；
3)将钽浆料填充到陶瓷片的凹槽中，然后埋入阳极引线，并进行烘干；烘干后进行预烧和烧结；所述陶瓷片与钽浆料一起高温烧结成一个整体；
4)将烧结完成的钽芯子进行赋能工艺，即将钽芯子置于磷酸电解液中，并施加直流电压，使钽芯子表面生成一层五氧化二钽氧化层；
5)将烧结完成的钽芯子进行被膜工艺，即将钽芯子浸沾导电聚合物溶液并烘干，反复多次使导电聚合物均匀附着在五氧化二钽氧化层表面；
6)将被膜完成的钽芯子浸沾碳浆并烘干；
7)使用银浆层将软态镍引线粘在碳层表面；
其中，1)和2)的步骤没有先后顺序。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述有机小分子选自低分子量聚乙烯醇、1，2-丙二醇、樟脑中的一种或几种的组合；
优选地，所述钽浆料中钽粉的质量分数为70％～80％；
优选地，所述钽粉粒径为0.4μm～10μm；
优选地，所述陶瓷片为三氧化二铝陶瓷片；
优选地，所述陶瓷片的长为2～10mm，宽为2～10mm，厚度为0.05～0.2mm；
优选地，所述凹槽为任意形状；
优选地，所述凹槽面积占陶瓷片总表面积的18％～76％，所述凹槽深度为陶瓷片厚度的50％～100％；
优选地，所述阳极引线为钽箔或钽丝；
优选地，所述钽箔厚度或钽丝直径占钽芯子厚度的10％～50％；
优选地，3)中所述烘干的温度为50～100℃；
优选地，所述预烧的温度为100～400℃，时间为0.5小时～1小时；
优选地，所述烧结的温度为1200-1600℃，时间为1～10分钟；
优选地，所述磷酸电解液的质量分数为0.05％～1％；
优选地，所述直流电压为5～90V；
优选地，所述导电聚合物溶液为聚3,4-乙烯二氧噻吩或聚吡咯；
优选地，5)中所述烘干的温度为80～120℃；
优选地，6)中所述烘干的温度为150℃，时间为1～2小时；
优选地，所述银浆层厚度为钽芯子厚度的5％～10％，所述软态镍引线厚度为钽芯子厚度的5％～10％。
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