一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用转让专利
申请号 : CN202010601614.0
文献号 : CN111863459B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 王玉容 , 孙雷蒙 , 赵纯 , 肖东阳 , 杜欢欢 , 涂良成
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种贴片式微型滤波电容器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:按预先设计的光刻图形,利用半导体工艺对硅片进行半导体图形化加工,形成梳齿状的交叉结构,从而制备得到图形化的3D硅基框架(100);
S2:在所述步骤S1得到的所述3D硅基框架(100)表面形成导电材料,所述导电材料为碳材料、金属、金属氧化物或金属氮化物的其中一种,使所述导电材料完全覆盖所述3D硅基框架(100)的表面,从而制备得到能够导电的集流体(101);
S3:在所述步骤S2得到的所述3D硅基框架(100)表面继续制备活性材料(102),用于参与超级电容器在电场下的电荷排布或电化学反应;
S4:将所述步骤S3得到的依次形成有活性材料(102)、导电材料的3D硅基框架(100)固定在预先加工成型的封装外壳下部(103a)上,并用于作为梳齿状对电极;该对电极中同时包括用于作为正极的电极和用于作为负极的电极,且两者相互绝缘;
S5:在所述步骤S4得到的所述对电极上填充电解质(104),用于提供电荷排布的媒介或电化学反应的离子;
S6:利用封装外壳上部(103b)与所述封装外壳下部(103a)的配合,同时利用密封胶,对所述对电极和所述电解质(104)一同进行封装,使所述对电极和所述电解质(104)受到保护,同时保留导电连接点用于从外部连接所述对电极;最后,在所述导电连接点上制作用于贴片连接的导电引脚(105),使导电引脚(105)嵌入封装外壳上部(103b)的凹孔中,即可得到贴片式微型滤波电容器;其中,所述导电引脚(105)的尺寸是根据导电引脚(105)与外接电路的连接强度确定的;
并且,所述步骤S4中,所述梳齿状对电极具体是通过图形化制作串联关系的梳齿状对电极、或并联关系的梳齿状对电极,并通过组装成型的器件,制作串联或并联的滤波电容器;其中,所述梳齿状对电极还经过芯片切割仪器分离处理。
2.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述方法还包括步骤:S7:将所述步骤S6得到的所述贴片式微型滤波电容器连接到滤波电路板上,使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚(105)与所述滤波电路板的导电引脚相连,从而形成滤波电容器功能器件。
3.如权利要求2所述制备方法,其特征在于,所述步骤S7中,所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚(105)与所述滤波电路板的导电引脚相连具体是采用导电涂层或焊接相连。
4.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述梳齿状的交叉结构中,任意一个梳齿的长度为100微米至10厘米,高度为10微米至10毫米,宽度为10微米至10毫米。
5.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述导电材料的形成具体是通过原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。
6.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述活性材料的形成具体是采用原子层沉积、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积或水热法形成的。
7.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述芯片切割仪器对应激光切割、离子束切割或刀片切割。
8.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述封装外壳上部(103b)与所述封装外壳下部(103a)均采用绝缘材料,具体是采用玻璃、陶瓷、聚合物或塑料。
9.如权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳膜、多孔碳;
所述步骤S3中,所述活性材料(102)为氧化物、硫化物或MXenes系材料。
10.如权利要求9所述制备方法,其特征在于,所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化锰、氧化镍、氧化钴,所述硫化物为二硫化钒、二硫化钼,所述MXenes系材料为碳化钛、氮化钛。
说明书 :
一种贴片式微型滤波电容器的制备方法与应用
技术领域
式微型滤波电容器的方法。
背景技术
其应用领域非常广泛,在电子线路中起着滤波、储能、旁路、耦合、计时等重要作用。在这些
应用中,滤波应用是电容器最为常见的应用。通过滤波能减少脉动的直流电压中的交流成
分,保留直流成分,使输出电压的纹波降低,让波形更平滑。从而达到消除干扰杂讯、降低损
耗的目的。用于滤波的电容器通常为电解电容器,是一种储能器件,安装在直流稳压电路
中。滤波电容器在设计、制造后具有特定的参数,包括电容、电阻、额定电压、额定电流等,决
定了电容器的应用场景。将其与电路中的电感、电阻元件进行匹配,形成滤波器,具备特定
的中心频率、截止频率、纹波等,以适用于特定的电路中。
化。随着超级电容器的发展,电容器的电容密度特性有了极大的提升,超级电容器在常见的
电子电路的滤波电路中应用起来。且随着器件逐渐微型化的发展,超级电容器在微电子领
域上的应用日益凸显,使得片上微型电容器成为了一种新趋势,如PCB电路板等紧密集成的
贴片电路设计中。传统的三明治结构的超级电容器由于隔膜的存在,易造成微短路、离子转
移效率较低,且上下电极不便于引线与电路板贴合导电。目前,大多数滤波电容器通过两根
或多根插针与电路板固定与连接,所占电路板面积较大,不适用于空间微缩的电路板,且插
针易弯折,固定连接的方式不够可靠稳定,不适用于冲击或振动力度较大的应用场景。面对
目前贴片型电极的要求,需要找到适用于贴片技术的电极制造工艺,以及一套匹配的封装、
组装技术,实现电极到器件、器件到电路板的贴片式制造与应用,以充分利用日益微缩化的
微器件空间。所以,急需要一种适用于贴片应用的微型滤波电容器的制造方法,弥补目前市
场的空缺。
发明内容
通过半导体工艺实现其贴片电极的定制化制作;采用了简易的封装结构,便于密封;制作尺
寸可调的内嵌式导电引脚对电路板进行点焊式电连接,保证了连接可靠性和微缩化集成。
最终,将其实际应用于贴片的电路板,实现了滤波功能。此外,基于本发明,通过改变电极尺
寸和形貌、材料载入种类、质量和电解质种类、串并联方式可调控滤波电容器的电容、额定
工作电压、额定工作电流参数。
架的表面,从而制备得到能够导电的集流体;
正极的电极和用于作为负极的电极,且两者相互绝缘;
点用于从外部连接所述对电极;最后,在所述导电连接点上制作用于贴片连接的导电引脚,
使导电引脚嵌入封装外壳上部的凹孔中,即可得到贴片式微型滤波电容器。
容器功能器件。
串联或并联的滤波电容器;
MXenes系材料为碳化钛、氮化钛。
连接于滤波电路板上,使所述贴片式微型滤波电容器的导电引脚与所述滤波电路板的导电
引脚相连。
电极进行贴片式的封装,适用于微缩化的微组件中,贴片连接可大大缩减集成空间。预留的
贴片电极引脚可根据其与外接电路的连接强度来改变尺寸,可应用于强冲击振动的场景
中。首先对衬底进行图形化,塑造出电极框架,再在框架的基础上进行集流体的制作,形成
对框架包覆的电极,使电容器具备优异的导电能力。其次,在集流体表面沉积活性材料,用
于参与超级电容器在电场下的电荷排布或电化学反应。最后,填充电解质并封装电极。电解
质能提供电荷排布的媒介或电化学反应的离子,封装后使对电极材料和电解质受到保护,
并预留导电引脚(导电引脚内嵌入封装外壳中),形成独立元件,以便进行集成。
电容器,能满足电压输出时纹波小的需求,提高电源运行的效率和利用率,降低谐波、噪音、
纹波对器件的干扰甚至损坏;
额定工作电压或额定工作电流的定制化设计。最终,调控输出电压的纹波,拓宽滤波电容器
的特性参数和应用范围。
缘设计内嵌式的导电引脚,并可采用点焊式实现贴片器件的电气连接。贴片加点焊式的连
接方式使滤波电容器与电路板紧密集成,极大的提升微器件的空间利用率。并且,紧密贴片
的方式能提供更稳定可靠的集成效果,可根据所需粘附强度将背部的导电引脚面积增大,
在不额外牺牲集成空间的情况下,便能增大滤波电容器与电路板的连接力度,可应用于强
冲击振动的场景;
制作效率和使用寿命。
强。
随着半导体芯片中电容器电极制作的发展,所制作的超级电容器容量显著,贴片型超级电
容器的电连接通过在导电Pad点上打线的方式连接。然而这两种方法的空间利用率和稳定
性均存在不足,面对日益紧缩的微单元空间,本发明将与外电路连接的导电引脚内嵌入封
装外壳,通过点焊的方式,与电路板紧密集成,并能灵活调控电极的面积,以增大焊接强度,
提高接触的稳定度。通过半导体图形化工艺制作电极,实现了贴片式的要求。两片式的封装
外壳使之结构简单,密封简易。
尺寸。尺寸的改变可根据所要求的连接强度和稳定性来调整。梳齿状对电极可通过图形化
制作串联关系的梳齿状对电极、或并联关系的梳齿状对电极,并可通过组装成型的器件,制
作串联或并联的滤波电容器。通过图形预设计或成型器件的组装形成的串并联均可调整滤
波电容器的电容量,额定工作电压和额定工作电流,以应用在不同的纹波输出要求和输入
信号窗口中。
材料(如碳纳米管、石墨烯、碳膜、多孔碳)、金属、金属氧化物或金属氮化物构建集流体,优
选使用氧化物(如氧化锌、氧化钛、氧化锰、氧化镍、氧化钴)、硫化物(如二硫化钒、二硫化
钼)或MXenes系材料(如碳化钛、氮化钛)作为活性材料,使最终组分的表面积、导电性、电化
学性能优异。电极上预留出导电连接点可以通过预先设计和切割来制作。封装外壳可根据
电极大小进行设计和成型,整流用的电路板通过二极管和电阻进行连接和参数搭配,实现
整流的功能。
附图说明
比图。
板。
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
可以进一步配合外部的电路板及其线路进行应用。
制作方法可包括以下步骤:
设计,本发明旨在设计微型化的电容器,梳齿长和高均为百微米级,宽为几至几十毫米均
可;
使其均匀包覆3D硅基框架101的表面,实现整体导电,使电容器电阻处于较低的水平,碳材
料的厚度可以为十纳米至几十微米;
加电极比表面积和电化学活性,从而增加电容器的电容性质,使电容器能在稳定的电压窗
口/电流范围下进行工作;
切割、刀片切割等),使对电极相互绝缘(当然,在步骤一时也可以通过图形化得到期望分离
状态的3D硅基框架100,在步骤四时则无需使用切割处理)。
覆或沉积导电引脚105。此时,完整的滤波电容器制作完成,如图5所示。采用导线或导电涂
层连接滤波电路板的导电引脚与电容器的导电引脚105,实现电容器在滤波电路板上的贴
片使用。其中,图6为滤波电容器的截面图,能清晰反映电容器内部的多层结构。
的分离电极方式,实现串/并联的连接方式,N个电容器串联与并联方式的结构分别如图8和
图9所示。除此以外,也可将封装完成的滤波电容器在电路板上进行串并联,如图10所示,其
中,图10中的a为设计好线路图的电路板106,包括上部的串联线路,下部的并联线路;图10
中的b为电容器的上下两面,一面可见导电引脚,一面不可见导电引脚,其中导电引脚与电
路板的导电引脚图形一一对应,可贴片连接;图10中的c为电容器在电路板上实现贴片后的
示意图。
波,表明了这一发明的实际应用可能与价值。实现过程具体为:电路由全波整流桥、负载电
阻与本发明中的电容器组成。电路的实物图与示意图如下图11中的a和图11中的b所示,微
2
型滤波电容器为2*2cm ,电极框架为2.2cm长,0.9cm宽。通过信号发生器输入工频60Hz、振
幅2V的交流电压,采用示波器观察并采集输出数据。本发明采用Si材料的电极,Si/C材料的
电极以及Si/C/MnO2材料的电极制作的滤波电容器进行整流滤波,其效果如图12中的a所
示,通过实验的结果证实了本发明的超级电容器的滤波能力,随着电极材料的改变,滤波效
果显著改变。且通过两个、四个电容器的并联,增加了电容值,从而进一步降低纹波电压,证
实了增强超级电容器的电容特性能够增强滤波效果。具体的,纹波系数从单个的电容器实
现的19.0%降低至两个并联电容器实现的14.1%,再降至四个并联电容器实现的8.5%,最
终使输出电压更平滑。
的导电材料、活性材料的具体材料种类均为示例,也可以采用其他材料,例如可以参照现有
技术中已知的用于构建超级电容器的材料进行调整。滤波电容器的电容性质可以根据所述
梳齿电极的尺寸和形貌、材料载入的种类和质量、采用电解质的种类进行调控。电极可以由
多组阵列串联和并联。其中,梳齿电极的尺寸和形貌可以在半导体工艺中通过预设计图形
来进行调整。电解质可以为固态的水系电解质、有机电解质、离子电解质,其浓度可根据实
际需求来调整。
在本发明的保护范围之内。