电气部件及其形成方法与流程

电气部件及其形成方法
1.相关专利申请
2.本技术要求2020年7月30日提交的美国临时专利申请序列号63/058,904的权益，所述申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开大体上涉及电气部件。具体地说，本公开大体上涉及适用于植入式装置中的电气部件。


背景技术：

4.例如用于植入式医疗装置(imd)的电子组件的各种各样的电子组件采用电子电路系统，例如，用于对身体组织提供电刺激和/或监测生理状况。此类imd可以冲击能量和刺激脉冲的形式将电治疗能量递送到选定的身体组织，且通常包含用于在规定条件下提供电能的输出电路系统，以及带有用于将电能递送到选定的组织的刺激电极的至少一个引线。例如，已经开发了心脏起搏器和植入式心脏复律除颤器(icd)，以用于在心动过缓发作期间维持期望的心率，或者在检测到严重心律失常时对心脏进行心脏复律或除颤治疗。还已知其它刺激神经、大脑、肌肉和器官组织的医疗装置可用于治疗各种病况。
5.当前可用的imd(包含icd和植入式脉冲发生器(ipg))通常形成为具有：金属壳体，其被气密密封且因此不会渗透体液；以及插头或连接器组件，其安装在所述壳体上以用于与一根或多根引线进行电气和机械连接。此类装置还具有与外部装置进行通信的遥测能力。过去20年，imd已经从相对庞大的装置发展为功能日益增强的复杂的小型化装置。例如，对心脏复律/除颤引线和电极进行了许多改进，所述心脏复律/除颤引线和电极使心脏复律/除颤的能量能够精确地递送到上下心腔的选定的一个或多个部分。高压输出电路系统也在许多方面得到了改进，以提供有效的单相、双相或多相心脏复律/除颤冲击或脉冲波形，有时使用心脏复律/除颤电极的特定组合。
6.imd的小型化使得包含电子电路系统部件在内的所有imd部件的大小减小且成本降低，其中期望增加密度并减小此类部件的大小，使得整个电路系统可以更加紧凑。随着imd的尺寸减小，imd的电子电路形成为集成电路以适配在最小空间内。此外，随着部件的尺寸也正在减小，期望改进imd封装内可用空间的使用。
7.用于imd和其它电子装置的电子电路系统可以包含一个或多个电容器。此类电容器是在电场中存储势能的无源部件，且被设计成为电路增加电容。可以使用各种类型的电容器，包含陶瓷和电解电容器。钽电容器是电解电容器类型，与其它电容器，例如陶瓷电容器相比，其具有相对高的电容密度。


技术实现要素：

8.本公开的技术大体上涉及电气部件和用于形成此类电气部件的方法。在一个或多个实施例中，电气部件可以包含设置在衬底的腔体内的钽材料、设置在腔体上方的阴极电
极以及设置在衬底的主表面上和腔体上方的阳极电极。钽材料可以包含钽颗粒。电气部件可以包含设置在钽颗粒上的电介质和设置在电介质上的电解质阴极层。阳极电极可以包含设置在衬底的主表面上和腔体上方的导电箔层。在一个或多个实施例中，电气部件可以形成电容器，所述电容器可以用于任何合适的电子电路或装置中。
9.在一个实例中，本公开的各方面涉及一种电气部件，所述电气部件包含衬底，所述衬底具有第一主表面、第二主表面和设置在所述衬底中在第一主表面与第二主表面之间延伸的腔体。所述电气部件还包含阳极电极，所述阳极电极包含设置在衬底的第二主表面上和腔体上方的导电箔层。钽材料设置在腔体内并且包含钽颗粒。介电层设置在钽颗粒上，且电解质阴极层设置在介电层上。电气部件还包含设置在腔体上方的阴极电极。
10.在另一个实例中，本公开的各方面涉及一种方法，所述方法包含提供具有第一主表面和第二主表面的衬底，在衬底的第二主表面上设置导电箔层，在衬底的第一主表面中设置腔体，所述腔体在衬底的第一主表面与导电箔层之间延伸，在腔体中设置钽材料，所述钽材料包括钽颗粒，以及在腔体上方设置阴极电极。
11.除非另有说明，否则本文提供的所有标题都是为了方便读者，并且不应用于限制标题后面的任何文本的含义。
12.术语“包括”及其变型在说明书和权利要求书中出现这些术语时不具有限制性含义。此类术语应被理解为暗示包括陈述的步骤或元件或者步骤或元件的组，但不排除任何其它步骤或元件或者步骤或元件的组。
13.在本技术中，例如“一(a/an)”和“所述”之类的术语并非旨在仅指单数实体，而是包含具体实例可用于说明的通用类别。术语“一(a/an)”和“所述”与术语“至少一个”可互换使用。列表后面的短语“至少一个”和“包括
……
中的至少一个”是指列表中项目的任何一个以及列表中两个或更多个项目的任何组合。
14.列表后面的短语“至少一个”和“包括
……
中的至少一个”是指列表中项目的任何一个以及列表中两个或更多个项目的任何组合。
15.如本文中所使用的，除非内容另有明确指示，否则术语“或”通常以包含“和/或”的含义使用。
16.术语“和/或”是指所列要素中的一个或全部，或所列要素中的任何两个或更多个的组合。
17.如本文结合测量的量所使用的，术语“约”是指如进行测量并行使与测量目的和所使用的测量器件的精度相称的仔细水平的本领域技术人员所期望的测量的量的变化。在本文中，“最多”的数字(例如，最多50)包含所述数量(例如，50)。
18.同样在本文中，端点对数值范围的引用包含所述范围内所包含的所有数字以及端点(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
19.在下文的附图和描述中阐述本公开的一个或多个方面的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中所描述的技术的其它特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
20.图1是电气部件的一个实施例的示意性横截面视图。
21.图2是用于形成图1的电气部件的工艺的示意性流程图。
22.图3是包含图1的电气部件的植入式医疗装置的示意图。
具体实施方式
23.本公开的技术大体上涉及电气部件和用于形成此类电气部件的方法。在一个或多个实施例中，电气部件可以包含钽材料，所述钽材料包含设置在衬底的腔体内的钽颗粒；设置在钽颗粒上的介电层；设置在介电层上的电解质阴极层；设置在腔体上方的阴极电极以及设置在衬底的主表面上和腔体上方的阳极电极。阳极电极可以包含设置在衬底的主表面上和腔体上方的导电箔层。在一个或多个实施例中，电气部件可以形成电容器，所述电容器可以用于任何合适的电子电路或装置中。
24.一般来说，本公开提供了与电气部件有关的设备、系统和相关联技术的各种实施例。此类电气部件可以包含任何合适的部件或电路系统，例如电容器、钽电容器等。钽电容器在其可靠性和电容密度方面可为期望的。由于其尺寸，钽电容器通常设置在集成电路板的表面上。厚度大于1mm时，典型的钽电容器会显著增加这些集成电路板的大小和厚度。
25.本文描述的电气部件的一个或多个实施例可以具有例如不大于600微米的厚度。由于此减小的厚度，本文所描述的一个或多个电气部件可以嵌入集成电路板内或集成到衬底中，由此能够实现较小的电子封装和组件。
26.图1是电气部件100的一个实施例的示意性横截面视图。电气部件100包含衬底104，所述衬底具有第一主表面116、第二主表面118和设置在所述衬底中并在第一主表面116与第二主表面118之间延伸的腔体117。电气部件100还包含阳极电极102，所述阳极电极包含设置在衬底104的第二主表面118上和腔体117上方的导电箔层126。电气部件100还包含设置在腔体117内的钽材料114，其中钽材料包含钽颗粒120。此外，电气部件100包含设置在钽颗粒120上的介电层122、设置在介电层122上的电解质阴极层124和设置在腔体117上方的阴极电极106。
27.电气部件100可用于任何合适的装置或电路系统中，例如印刷电路板、集成电路封装、衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、蓝宝石衬底、硅衬底等。另外，电气部件100可展现出任何合适的特征。例如，电气部件100可以包含按电气部件的体积计为任何合适量的钽。另外，电气部件100可具有任何合适的尺寸。在一个或多个实施例中，电气部件100可具有在与衬底104的第一主表面116和第二主表面118正交的方向上测量的不大于500微米的高度或厚度。
28.衬底104可以包含任何合适的一种或多种材料，例如硅、n型硅、蓝宝石、玻璃、陶瓷、氧化铝等。在一个或多个实施例中，衬底104是硅。衬底104可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的形状。在一个或多个实施例中，衬底104可以具有在第一主表面116与第二主表面118之间延伸的至少50微米且不大于300微米的高度或厚度。在一个或多个实施例中，衬底104在第一主表面116与第二主表面118之间延伸的厚度可能不大于500微米。例如，衬底104的厚度可以等于或小于500微米、等于或小于450微米、等于或小于400微米、等于或小于450微米、等于或小于400微米、等于或小于350微米、等于或小于300微米、等于或小于250微米、等于或小于200微米、等于或小于150微米、或等于或小于100微米。
29.腔体117设置在衬底104中并且在衬底的第一主表面116与第二主表面118之间延伸。腔体117可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。此外，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如湿式蚀刻、干式蚀刻、机械蚀刻、激光蚀刻等，将腔体117
设置在衬底104中。尽管示出为包含一个腔体117，但是电气部件100可以包含任何合适数量的腔体。
30.钽材料114设置在腔体117内，所述钽材料填充了腔体的至少一部分。在一个或多个实施例中，钽材料114的大小和形状由腔体117的大小和形状确定。钽材料114包含钽颗粒120。钽颗粒120可以是粘合的钽颗粒。可在钽材料114中使用任何合适的钽颗粒120。另外，钽颗粒120可具有任何合适的尺寸。可以使用任何合适的一种或多种技术将钽颗粒120电耦合且机械耦合在一起。在一个或多个实施例中，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如加热、激光、微波、火花等离子体等，将钽颗粒120烧结在一起。另外，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、印刷、模板印刷、分配、喷射等，将钽材料114设置在腔体117内。在一个或多个实施例中，钽材料114可以包含钽糊。此类钽糊可以包含任何合适的粘合剂，例如有机粘合剂、溶剂等。
31.钽材料114可以进一步包含设置在一个或多个钽颗粒120的表面上的介电层122。在一个或多个实施例中，介电层122可以设置在基本上所有钽颗粒120的表面上。介电层122可以包含任何合适的一种或多种介电材料，例如五氧化二钽(ta2o5)。另外，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如阳极化、湿法成型、原子层沉积、退火等来形成介电层122。
32.另外，钽材料114还可以包含设置在介电层122上的电解质阴极层124。电解质阴极层124可以包含任何合适的一种或多种材料，例如二氧化锰、导电聚合物等。另外，电解质阴极层124可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如热解、浸渍、印刷来形成电解质阴极层124。
33.电气部件100还可以包含阳极电极102，所述阳极电极设置在衬底104的第二主表面118上和腔体117上方。阳极电极102可以包含任何合适的一种或多种导电材料，例如铜、金、银、钽、石墨、铝、铬、碳等。阳极电极102可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。此外，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、溅射、电镀、印刷、分配、烧结、激光加工、压制等来形成阳极电极102。
34.阳极电极102可以包含一个或多个层。在一个或多个实施例中，阴极电极102可以包含导电箔层126，所述导电箔层设置在衬底104的第二主表面118上以及在腔体117上方。导电箔层126可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。导电箔层126可以包含任何合适的一种或多种材料，例如钽、钛、掺杂硅或其它导电材料。在一个或多个实施例中，导电箔层126是钽箔层。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如压制、烧结、激光加工等来形成导电箔层126。导电箔层126可以具有在至少10微米且不大于25微米的范围内的厚度。
35.在一个或多个实施例中，阳极电极102还可以包含设置在导电箔层126上的阳极导体层128。阳极导体层128还可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、pvd、cvd、溅射、电镀、箔层压等来形成阳极导体层128。阳极导体层128可以包含任何合适的一种或多种导电材料，例如铜、金、银、铝或其它导电材料。
36.在一个或多个实施例中，钽层130可以设置在钽材料114与阳极电极102之间。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、电镀、印
刷、分配等来设置钽层130。在一个或多个实施例中，钽层130具有至少1微米且不大于2微米的厚度。在一个或多个实施例中，钽层130可以烧结到钽颗粒120和导电箔层126上。在一个或多个实施例中，钽层130可以进一步设置在腔体117和衬底104的第一主表面116的表面上。钽层130可具有至少500纳米且不大于2微米的厚度。
37.设置在钽层130上和衬底104的腔体117上方的是阴极电极106。阴极电极106可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。阴极电极106可以包含任何合适的一种或多种导电材料，例如，本文中关于阳极电极102所描述的相同的导电材料。此外，阴极电极106可以包含任何合适数量的层。可以使用任何合适的技术，例如本文中关于阳极电极102所描述的相同的一种或多种技术来形成阴极电极106。
38.在一个或多个实施例中，阴极电极106可以包含阴极连接层110，所述阴极连接层设置在衬底104的钽层130上和腔体117上方。阴极连接层110可以包含任何合适的一种或多种导电材料，例如，本文中关于阳极电极102所描述的相同的导电材料。另外，阴极连接层110可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的一种或多种形状。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如本文中关于阳极电极102所描述的相同的一种或多种技术来形成阴极连接层110。
39.在一个或多个实施例中，阴极电极106可以包含设置在阴极连接层110上的阴极导体层108。阴极导体层108可以包含任何合适的一种或多种导电材料，例如，本文中关于阳极电极102所描述的相同的导电材料。另外，阴极导体层108可以包含任何合适的尺寸并且呈任何合适的形状。可以使用任何合适的一种或多种技术来形成阴极导体层108，例如，本文中关于阳极电极102所描述的相同的一种或多种技术。在一个或多个实施例中，可以使用任何合适的一种或多种技术来图案化阴极导体层108，以提供经图案化的导电层。
40.可以利用任何合适的一种或多种技术来制造电气部件100。例如，图2是形成多个电气部件100的方法200的一个实施例的示意性流程图。尽管参考图1的电气部件100进行了描述，但是方法200可用于形成任何合适的电气部件。
41.在202处，提供衬底104。衬底104包含第一主表面116和第二主表面118。
42.在204处，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如烧结、压制、激光加工、扩散粘结等，将导电箔层126设置在衬底104的第二主表面118上。在一个或多个实施例中，在将导电箔层烧结或扩散粘结到衬底以形成导电箔层126的同时，导电箔层126可以被压到或压平到衬底104的第二主表面118上。
43.在206处，场氧化物硬掩模132可以设置在衬底104的第一主表面116上。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如生长、沉积、溅射等来设置场氧化物硬掩模132。在208处，可以去除场氧化物硬掩模132的一个或多个部分并且一个或多个腔体117可以设置在衬底104的第一主表面116中。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如蚀刻、激光加工等，去除场氧化物硬掩模132的一个或多个部分。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如各向异性蚀刻、湿式蚀刻、激光加工、锯切等，将一个或多个腔体117设置在衬底104的第一主表面116中。在一个或多个实施例中，可以使用各向异性蚀刻来形成一个或多个腔体117。一个或多个腔体117可以在衬底104的第一主表面116与第二主表面118之间延伸。导电箔层126可以通过一个或多个腔体117暴露。在210处，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如湿式蚀刻、干式蚀刻、激光加工等，从衬底104去除场氧化物硬掩模132。
44.在212处，钽层130可以设置在一个或多个腔体117的表面上并且钽材料114可以设置在一个或多个腔体中。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、pvd、cvd、溅射、电镀、箔层压等，将钽层130设置在一个或多个腔体117的表面上。在一个或多个实施例中，钽层130以至少1微米且不大于2微米的厚度设置。此外，在212处，可以使用任何合适的一种或多种技术将氧化物层134设置在钽层130上。在一个或多个实施例中，可以通过在含有水蒸气的扩散炉中在介于1000℃与1200℃之间的温度下生长氧化物层(例如，湿氧化物生长)来设置氧化物层134。在一个或多个实施例中，可以通过将衬底104放置在富氧环境中并加热衬底和钽层130来设置氧化物层134。衬底104和钽层130可以被加热到至少500℃持续至少10分钟。在设置氧化物层134之后，可以对衬底104、钽层130和氧化物层134进行退火以将氧化物层驱动到钽层中。退火可以包含加热到至少600℃持续至少10分钟。
45.在212处，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如印刷、压制、放置等，将包含钽颗粒120的钽材料114设置到衬底104的一个或多个腔体117中。钽材料114可以包含例如，钽粉、钽块、钽糊等。在钽材料117包含钽糊的实施例中，可以在212处使用任何合适的一种或多种技术，例如加热钽糊，对钽糊进行干燥和脱粘合剂。
46.在一个或多个实施例中，在212处，可以使用任何合适的一种或多种技术烧结钽材料114。烧结钽材料114可以使钽颗粒120至少部分地熔合在一起，以在钽颗粒之间形成一个或多个机械连接和电连接。另外，烧结可使得一个或多个钽颗粒114熔合到钽层130上，从而在钽材料与钽层之间形成至少一个机械连接和电连接。在一个或多个实施例中，可以通过将钽材料114加热到至少1200℃且不高于3000℃的温度来烧结所述材料。
47.在214处，可以使用任何合适的一种或多种技术将介电层122设置在钽颗粒120上。在一个或多个实施例中，可以使用例如阳极氧化、湿法成型、原子层沉积、退火等来设置介电层122。
48.另外，在214处，可以使用任何合适的一种或多种技术将电解质阴极层124设置在介电层122上。在一个或多个实施例中，可以使用例如热解、浸渍、印刷、分配、浸涂等来设置电解质阴极层124。
49.在216处，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、pvd、cvd、溅射、电镀、箔层压等，将阴极电极106设置在一个或多个腔体117上方。在一个或多个实施例中，阴极电极106可以设置在电解质阴极层124和钽层130上。设置阴极电极106可以包含一个或多个层。例如，在一个或多个实施例中，设置阴极电极106可以包含设置阴极连接层110和阴极导体层108。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、pvd、cvd、溅射、电镀、箔层压等，将阴极连接层110设置在一个或多个腔体117上。可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、pvd、cvd、溅射、电镀、箔层压、阴影掩模等，将阴极导体层108设置在阴极连接层110上。
50.在218处，可以使用任何合适的一种或多种技术，例如沉积、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、溅射、电镀、印刷、分配等，将阳极导体层128设置在导电箔层126上。
51.如本文所述的电气部件100可以与任何合适的植入式医疗装置一起使用。例如，图3是植入式医疗装置300的示意图。植入式医疗装置300包含壳体302和壳体内的电路电子组件304。电子组件304可以包含电气部件306。电气部件306可以包含任何合适的电气部件，例如图1的电气部件100。
52.植入式医疗装置300可以包含任何合适的医疗装置。在一个或多个实施例中，植入式医疗装置300可以包含植入式除颤器、起搏器、神经刺激器等。
53.应理解，本文所公开的各个方面可以不同的组合而非说明书和附图中具体呈现的组合进行组合。还应理解，取决于实例，本文所描述的过程或方法中的任一个的某些动作或事件可以不同顺序执行，可被添加、合并或完全省略(例如，所有描述的动作或事件对于执行技术来说可不为必需的)。另外，为清楚起见，虽然本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元来执行，但是应理解，本公开的技术可以由与例如医疗装置相关联的单元或模块的组合来执行。
54.在一个或多个实例中，可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施所描述的技术。如果以软件实施，那么功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包含计算机可读存储介质，其对应于有形介质，例如数据存储介质(例如，ram、rom、eeprom、快闪存储器或可以用于存储呈指令或数据结构形式的期望程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质)。
55.指令可以由一个或多个处理器执行，所述一个或多个处理器例如是一个或多个数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或其它等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所使用的术语“处理器”可以指代任何前述结构或者适合于实施所描述技术的任何其它物理结构。而且，所述技术可完全实施于一个或多个电路或逻辑元件中。
56.本文中引用的所有参考文献和出版物皆明确地以全文引用的方式并入本公开中，除非它们可能直接与本公开相矛盾。论述了本公开的示例性实施例，并且已经参考了在本公开的范围内的可能的变型。在不脱离本公开的范围的情况下，本公开中的这些和其它变型和修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且应当理解，本公开不限于本文阐述的示例性实施例。因此，本公开仅由所附权利要求限制。