CN102362325A

CN102362325A - 电容器及其制造方法

Info

Publication number: CN102362325A
Application number: CN2010800131313A
Authority: CN
Inventors: 加贺田博司; 凤桐将之
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-02-22
Also published as: US8659875B2; US20120120555A1; KR20120006996A; JPWO2010116656A1; WO2010116656A1

Abstract

电容器具备电极、和配置于电极的上方的电介质层。电介质层由填铺的多个金属氧化物片构成，并形成有由多个金属氧化物片间的空隙构成并贯通的孔。电容器还具备绝缘部，该绝缘部设置于电极中的面向电介质层的孔的开口部的部分，来覆盖孔的开口部。该电容器能防止电极间的短路，具有高可靠性。

Description

电容器及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有电介质层的电容器及其制造方法。

背景技术

电容器具有能量储存和电气过滤的功能，因此是电子设备中不可或缺的部件。近年，随着电子设备的小型化，市场需要更高容量的电容器。

电容器具备设置于一对电极间的电介质层。能通过使电介质层变薄来形成高容量的电容器。

专利文献1公开了具备作为能形成较薄的层的电介质材料的纳米钛片等的氧化物纳米片的高容量的现有技术的电容器。然而，在该现有技术的电容器中，有时一对电极会经由氧化物纳米片而短路。

专利文献1：JP特开2008-277724号公报

发明内容

电容器具备电极、和配置于电极的上方的电介质层。电介质层由填铺的多个金属氧化物片构成，并形成有由多个金属氧化物片间的空隙构成并贯通的孔。电容器还具备绝缘部，该绝缘部设置于电极中的、面向电介质层的孔的开口部的部分，来覆盖孔的开口部。该电容器能防止电极间的短路，具有高可靠性。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的电容器的截面图。

图2是实施方式1中的电容器的电介质层的放大示意图。

图3是比较例的电容器的截面图。

图4A是表示实施方式1中的电容器的制造工序的截面图。

图4B是表示实施方式1中的电容器的制造工序的截面图。

图4C是表示实施方式1中的电容器的电介质层的示意截面图。

图4D是表示实施方式1中的其他电介质层的示意截面图。

图5表示实施方式1中的电容器的评价结果。

图6A是表示实施方式1中的电容器的立体图。

图6B是表示实施方式1中的其他电容器的立体图。

图7A是实施方式1中的再其它的电容器的截面图。

图7B是实施方式1中的再其它的电容器的截面图。

图8表示本发明的实施方式2中的电容器的截面图。

图9A是表示实施方式2中的电容器的制造工序的截面图。

图9B是表示实施方式2中的电容器的制造工序的截面图。

图9C是表示实施方式2中的其他电容器的截面图。

图9D是表示图9C所示的电容器的制造工序的截面图。

符号的说明

2 电极(第1电极)

4 电介质层

5 孔

6 绝缘部

51 电解质

52 电极(第2电极)

66 绝缘膜

具体实施方式

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1中的电容器1的示意截面图。电容器1具备：电极2；电介质层4，其配置于电极2的上表面2A上；电极52，其与电介质层4的上表面4A对置；以及电解质51，其设置于电介质层4和电极52之间。电介质层4的下表面4B位于电极2的上表面2A上。电极2由导电材料的箔构成，优选由铝、钛等阀功能金属形成的箔构成。在电极2、52之间可以配置分离片(separator)53。

图2是电介质层4的放大示意图。电介质层4由填铺于电极2的上表面2A的多个金属氧化物片100构成。金属氧化物片100由钛酸纳米片或铌酸纳米片等氧化物纳米片构成。金属氧化物片100具有几个原子的厚度，该厚度大概为0.3nm～2nm，优选为0.3nm以上50nm以下，长度和宽度在10nm～1mm的程度。多个金属氧化物片100通过配置于电极2的上表面2A的、由阳离子形成的附着辅助层来与电极2的上表面2A粘接，从而填铺。电极2的上表面2A无间隙地填铺金属氧化物片100是困难的，在电介质层4产生由多个金属氧化物片100间的空隙101构成的孔5。孔5贯通电介质层4的上表面4A和下表面4B之间。

如图1所示，在电极2的上表面2A的面向孔5而露出的部分即电介质不形成部22A，形成有绝缘部6。电极2由金属构成，绝缘部6由该金属的氧化物构成。例如，电极2在由铝构成的情况下，绝缘部6由氧化铝构成。绝缘部6能通过经由孔5用阳极氧化或热处理等方法来氧化处理电极2的上表面2A而形成。

绝缘部6的厚度T1(nm)根据电容器的耐压WV(V)而设定。在通过阳极氧化来形成绝缘部6的情况下，厚度T1(nm)按照以下方式设定。

T1＝1.4×WV

电解质51特别在是电解液的情况下，容易进入孔5。图3是比较例的电容器501的示意截面图。在图3中，对与图1所示的实施方式1中的电容器1相同的部分赋予相同的参考编号。图3所示的电容器501不具有绝缘部6，电极2从孔5露出。在电容器501中，有时填充于孔5的电解质51会与电极2接触，从而使电极2、52间短路。

通过视认等简单的手段来检查在电介质层4是否形成有孔5是非常困难的。故而，由于实际上是初次认识到通过使用氧化物纳米片来制作电容器501并检查电容器501的特性，从而在电介质层4形成孔5，因此在制造工序中降低不合格率是困难的。

在图1所示的实施方式1的电容器1中，即使电解质51在特别是电解液的情况下而容易进入孔5的情况下，通过绝缘部6也能防止电解质51与电极2直接接触，从而能避免因电极2、52短路而造成的电容器1不合格。

通过绝缘部6使电解质51和电极2绝缘，能使由氧化物纳米片构成的电介质层4较薄。即使在不具有绝缘部6的比较例的电容器501中，通过对由多个进行氧化物片100而分别形成的多个层进行层叠来封住孔5，并将从电介质层4的上表面4A贯通下表面4B的孔5的形状设为复杂的形状，也能抑制短路。然而，用这样的方法不能使电介质层4较薄，从而要想增大电容器501的容量是困难的。

如上所述，即使是用简单的手段非常难以确认孔5的存的具备由氧化物纳米片构成的电介质层4的电容器1，也能通过绝缘部6来抑制电极2、52间的短路的产生。另外，不需要将产生了孔5的电介质层4作为不合格品进行废弃处理，从而能提高电容器1的生产效率。

在电极2由铝构成的情况下，绝缘部6由氧化铝构成。氧化铝的相对介电常数是8的程度，并不大。能用作电介质层4的材料的钛酸纳米片的相对介电常数是125的程度，铌酸纳米片的相对介电常数是300的程度，能增大电介质层4的相对介电常数，能实现具有大静电容量的电容器1。

接下来，说明电容器1的制造方法。图4A和图4B是表示电容器1的制造方法的截面图。

如图4A所示，在由薄的导体箔构成的电极2的上表面2A配置电介质层4。贯通电介质层4的上表面4A和下表面4B的孔5具有在电极2的上表面2A开口的开口部5B。电极2的上表面2A具有从孔5露出的部分，即电介质不形成部22A。

接下来，如图4B所示，透过孔5来氧化面向孔5的电介质不形成部22A，由此在电介质不形成部22A形成绝缘部6。透过孔5来氧化电介质不形成部22A，能防止与电介质层4接触的电极2的上表面2A中的、电介质不形成部22A和其周围的部分以外的部分氧化而形成绝缘膜。

其后，如图1所示，设置与电介质层4的上表面4A对置的电极52，用电解质51来填充电介质层4的上表面4A和电极52之间。也可以在电极2、52之间配置分离片53。

图4C和图4D是电介质层4的示意截面图。如图4C所示，电介质层4由单层的氧化物纳米片形成的电介质膜44构成。如图4D所示，电介质层4可以由层叠的多个氧化物纳米片形成的电介质膜44构成。由电介质膜44构成的电介质膜4的厚度T2为0.3nm以上50nm以下。具有该范围内的厚度T2的电介质层4易于产生孔5。

图4A所示的孔5的直径从上表面4A起到下表面4B为止是固定的。而实际上，如图2所示，由于是通过由作为多个氧化物纳米片的金属氧化物片100构成的电介质层4所形成的空隙101来构成孔5，因此一般而言孔5的直径不固定，孔5具有复杂的形状。

绝缘部6也可以不仅在面向孔5的电介质不形成部22A，还延伸到电介质不形成部22A的周围。由此，能可靠避免电解质51和电极2接触。

在形成电介质层4前，可以对电极2的上表面2A实施酸处理或者碱处理。通过酸处理或者碱处理，不仅能去除电极2的上表面2A的氧化膜，还能粗化上表面2A，增大其表面积，因此能增大电容器1的静电容量。

作为能在酸处理中使用的酸，例如能使用HCl、H₂SO₄、H₃PO₄、(COOH)2等。另外，作为能在碱处理中使用的碱，能使用KOH、NaOH等。

同样，通过对电极2的上表面2A进行阴极还原处理，不仅能去除电极2的上表面2A的氧化膜，还能使上表面2A粗化，增大其表面积，从而能增大电容器1的静电容量。在阴极还原处理中，将电极2作为阴极，通过在电解质溶液中在与作为阳极的对极之间使电流流过，来对电极2的表面进行还原处理。

通过对电极2的上表面2A进行酸处理或碱处理、或者阴极还原处理，来粗化电极2的上表面2A。在粗化后的电极2的上表面2A配置例如氧化物纳米片作为电介质层4的情况下，上表面2A复杂地凹凸，因此整齐均匀地配置氧化物纳米片是困难的，在电介质层4易于形成孔5。在用水溶液法以外的溅镀等方法在粗化的电极2的上表面2A形成电介质层4的情况下，较之用水溶液法形成电介质层4的情况，均匀地不形成孔5地形成电介质层4更难。

在实施方式1的电容器1中，绝缘部6覆盖孔5的开口部5B，因此能避免电极2和电解质51接触。故而，对于通过用酸处理或碱处理、或者阴极还原处理来粗化电极2的上表面2A的制造工序而制造的电容器1，能通过绝缘部6来有效防止电极2、52间短路。优选绝缘部6能完全覆盖孔5的开口部5B。

绝缘部6由对由金属形成的电极2进行氧化而形成的氧化膜构成，但不必局限于此，只要能防止电极2和电解质51的接触，无论何种组成都能使用。

图5示出了对实施方式1中的电容器1进行评价的结果。样品1是具备各种厚度的电介质层4的实施方式1中的电容器1。样品2是具备各种厚度的电介质层4的图3所示的比较例的电容器501，不具有绝缘部6。在样品1、2中流过电流，从而确认了基于容量的成品率。电介质层4的电介质膜44(图4C、图4D)的数目为1～10的范围。

如图5所示，样品1即使具有非常薄的电介质层，也不会减小成品率，具有高可靠性。对于样品2，若电介质层4的电介质膜44的数目变少从而电介质层4变薄，则成品率变小。若要满足相同的成品率，则样品2的电介质层4需要比样品1的电介质层4更多的层叠的电介质膜44。如此，对于实施方式1的电容器1，即使层叠的电介质膜44的数目少，电介质层4薄，也具有高可靠性，能得到大的容量。

图6A是实施方式1中的电容器1001的立体图。电容器1001是固体电解电容器，具备层叠的多个电容器元件20。通过作为电极2的基材、和层叠于基材上的电介质层4来构成阳极箔21。电容器元件20具备：阳极箔21；形成于阳极箔21的电介质层4上的、由导电性高分子或有机半导体构成的固体电解质层；以及形成于该固体电解质层上的、由银膏以及碳膏等导电膏构成的阴极层。固体电解质层和阴极层构成阴极电极部22。层叠的多个电容器元件20的各自的阳极箔21与阴极端子23(外部端子)连接。多个电容器元件20各自的阴极电极部22与阴极端子24(外部端子)连接。在使阳极端子23和阴极端子24的各自一部分露出的状态下，层叠的电容器元件20、阳极端子23和阴极端子24通过由绝缘树脂形成的外装体25覆盖。

图6B是实施方式1中的其他电容器2001的立体图。电容器2001是具备电容器元件30的卷绕型电解电容器。层叠了电介质层4的电极2用作阳极箔31。阳极箔31与阳极端子33连接，阴极箔32与阴极端子34连接。阳极箔31和阴极箔32隔着分离片35而层叠并卷绕，构成电容器元件30。在电容器元件30中浸渍电解液或由导电性高分子、有机半导体等或它们的复合材料构成的阴极材料，在带底的筒状的壳体36收纳有半导体元件30。在使阳极端子33和阴极端子34的各自一部分露出到外部的状态下，用密封部37密封壳体36的开口部。层叠有电介质层4的电极2能用作阴极箔32，另外，还能用作阳极箔31和阴极箔32两者。

实施方式1中的电容器不局限于上述构成。即使在电极2由薄膜那样的基材、和形成于基材上的电极构成的情况下，也能在电极2上形成电介质层4。也可以在形成电容器元件后，在电极2形成绝缘部6。

图7A是实施方式1中的再其它的电容器5001的截面图。在图7A中，对与图1A相同的部分赋予相同的参考编号。对于电容器5001，不仅在电极2的上表面2A，还在隔着电解质51和分离片53而与电极2对置的电极52的下表面52B形成有电介质层144。电介质层144与电介质层4相同，由填铺于电极52的下表面52B的多个金属氧化物片100(图2)构成。在电介质层144上形成有由多个金属氧化物片100间的空隙101构成、且具有面向电极52的下表面52B的开口部的孔55。以与绝缘部6相同的方法在电极52的下表面52B设置有覆盖孔55的开口部的绝缘部606，具有与绝缘部6相同的效果。优选使绝缘部606完全覆盖孔55的开口部。

图7B是实施方式1中的再其它的电容器6001的截面图。在图7B中，对与图1A相同的部分赋予相同的参考编号。在电容器6001中，不仅在电极2的上表面2A，还在电极2的下表面2B形成有电介质层144。电介质层144与电介质层4相同，由填铺于电极2的下表面2B的多个金属氧化物片100(图2)构成。在电介质层144形成有由多个金属氧化物片100间的空隙构成，且具有面向在电极2的下表面2B的开口部的孔55。以与绝缘部6相同的方法在电极2的下表面2B设置有覆盖孔55的开口部的绝缘部606，具有与绝缘部6相同的效果。优选使绝缘部606完全覆盖孔55的开口部。

(实施方式2)

图8是实施方式2中的电容器3001的示意截面图。在图8中，对与图1所示的实施方式1中的电容器1相同的部分赋予相同的参考编号。图8所示的电容器3001还具备形成于电极2的上表面2A的绝缘膜66。绝缘膜66的下表面66B配置于电极2的上表面2A上。电介质层4形成于绝缘膜66的上表面66A上。电介质层4由填铺于绝缘膜66的上表面66A的多个金属氧化物片100(图2)构成。在电介质层4形成有由多个金属氧化物片100间的空隙101构成、且具有面向绝缘膜66的上表面66A的开口部的孔5。

电容器的绝缘膜的厚度一般根据电容器的耐压值而设定。实施方式2中的电容器3001的绝缘膜66的厚度设计为比具有相同的耐压的电容器的绝缘膜薄。在电容器3001中，根据耐压而设定的绝缘膜的厚度是绝缘膜66和电介质层4的总共的厚度。

在电容器3001中，绝缘膜66形成于电极2的上表面2A的整面，来封住电介质层4的孔5的开口部5B，因此能可靠地防止电极2和电解质51在孔5接触，能降低电容器3001的不合格率。优选使绝缘膜66完全封住开口部5B。

绝缘膜66具有位于电极2的上表面2A和电介质层4的下表面4B之间的电极覆盖部266、和覆盖孔5的开口部5B的绝缘部6。由此，能提高电容器3001的耐压。优选绝缘部6完全覆盖开口部5B。

与实施方式1中的电容器1相同，通过对电极2的上表面2A进行酸处理或碱处理、或者阴极还原处理，能得到与实施方式1中的电容器1相同的效果。

说明电容器3001的制造方法。图9A和图9B是表示电容器3001的制造方法的截面图。

如图9A所示，对电极2的上表面2A进行氧化来形成绝缘膜66。电极2由导电箔构成，优选由铝或钛等阀功能金属箔构成。

接下来，如图9B所示，在绝缘膜66的上表面66A形成电介质层4。与实施方式1相同，电介质层4由多个金属氧化物片100(图2)形成的氧化物纳米片构成，具有贯通上表面4A和下表面4B的多个孔5。

其后，如图8所示，设置与电介质层4的上表面4A对置的电极52，并用电解质51来填充电介质层4的上表面4A和电极52之间。也可以在电极2、52之间配置分离片53。

图9C是实施方式2中的其他电容器4001的截面图。在图9C中，对与图8所示的电容器3001相同的部分赋予相同的参考编号。绝缘膜66具有：电极覆盖部266，其位于电极2的上表面2A和电介质层4的下表面4B之间；以及绝缘部6，其覆盖孔5的开口部5B。绝缘部6比电极覆盖部266厚。由此，能进一步提高电容器4001的耐压。优选使绝缘部6完全覆盖孔5的开口部5B。

接下来，说明电容器4001的制造方法。图9D是表示电容器4001的制造方法的截面图。在图9D中，对与图9A和图9B所示的电容器3001相同的部分赋予相同的参考编号。如图9D所示，绝缘膜66的电介质不形成部166A从孔5露出。电极2的部分122与电介质不形成部166A抵接。透过孔5来氧化电极2的部分122。由此，形成电介质不形成部166A中的绝缘部6。能增大绝缘部6的厚度，使其厚于电介质层4和电极2之间的电极覆盖部266的厚度，从而能提高电容器3001的耐压。透过孔5来氧化电极2的部分122，由此能防止在电极2的上表面2A中的、部分122和其周围的部分以外的部分氧化而形成绝缘层。

其后，如图9C所示，设置与电介质层4的上表面4A对置的电极52，并用电解质51来填充电介质层4的上表面4A和电极52之间。可以在电极2、52之间配置分离片53。

在实施方式2中的电容器3001、4001的耐压为5V的情况下，例如能以绝缘膜66的厚度来确保作为耐压的一部分的2V，并能以电介质层4来确保作为耐压的剩余的部分的3V。如此，在电容器3001、4001中，以绝缘膜66和电介质层4这2层的厚度来确保期望的耐压所需的绝缘膜的厚度。

在电极2由铝箔构成的情况下，通过对电极2的上表面2A进行氧化来形成作为绝缘膜66的氧化铝。由于氧化铝的相对介电常数是8的程度，因此通过将用作电介质层4的钛酸纳米片(相对介电常数＝125的程度)或铌酸纳米片(相对介电常数＝300的程度)等的氧化物纳米片的厚度设为比氧化铝的厚度厚，能得到具有大静电容量的电容器3001、4001。

此外，通过将实施方式2中的电容器3001、4001用作图6A和图6B所示的电容器元件20、30，能构成电容器1001、2001。

此外，在实施方式1、2中，表示“上表面”“下表面”等方向的术语表示仅依赖于电极2、22或电介质层4等电容器1的构成部件的相对位置关系的相对方向，并不表示铅直方向等绝对的方向。

产业上的利用可能性

本发明的电容器防止电极间的短路，具有较高的可靠性，因此能降低不良率，在各种电子设备、通信设备等需要高可靠性的设备中是实用的。

Claims

1.一种电容器，具备：

第1电极，其具有上表面；

电介质层，其具有配置于所述第1电极的所述上表面上的下表面、以及上表面，并由填铺于所述第1电极的所述上表面的多个金属氧化物片构成，且形成有由所述多个金属氧化物片间的空隙构成并贯通的孔；和

绝缘部，其设置于所述第1电极的所述上表面中的面向所述电介质层的所述孔的开口部的部分，来覆盖所述孔的所述开口部。

2.一种电容器，具备：

第1电极，其具有上表面；

绝缘膜，其具有设置于所述第1电极的所述上表面上的下表面、和上表面；和

电介质层，其具有配置于所述绝缘膜的所述上表面上的下表面、以及上表面，并由填铺于所述绝缘膜的所述上表面的多个金属氧化物片构成，且形成有由所述多个金属氧化物片间的空隙构成、并具有面向所述绝缘膜的所述上表面的开口部的孔。

3.根据权利要求2所述的电容器，其中，

所述绝缘膜具有：

电极覆盖部，其位于所述电极的所述上表面和所述电介质层的所述下表面之间；和

绝缘部，其覆盖所述孔的所述开口部，且比所述电极覆盖部厚；

4.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，

所述电容器还具备与所述电介质层的所述上表面对置的第2电极。

5.根据权利要求4所述的电容器，其中，

所述电容器还具备设置于所述电介质层的所述上表面和所述第2电极之间的电解质，以填充所述电介质层的所述孔。

6.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，

所述电介质层具有由所述多个金属氧化物片构成并层叠的多个电介质膜。

7.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，

所述电介质层的所述孔贯通所述电介质层的所述上表面和所述下表面。

8.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，

所述电介质层的厚度为0.3nm以上50nm以下。

9.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，

所述多个金属氧化物片的厚度是几个原子的厚度的程度。

10.一种电容器的制造方法，包括：

在第1电极的上表面形成电介质层的步骤；

在所述第1电极的所述上表面形成绝缘部的步骤；和

设置与所述电介质层的上表面对置的第2电极的步骤，

所述电介质层具有位于所述第1电极的所述上表面的下表面，

所述电介质层由填铺于所述第1电极的所述上表面的多个金属氧化物片构成，

所述电介质层具有孔，该孔由所述多个金属氧化物片间的空隙构成并贯通，并具有在所述下表面开口的开口部，

所述绝缘部覆盖所述孔的所述开口部。

11.根据权利要求10所述的电容器的制造方法，其中，

所述第1电极由金属构成，

形成所述绝缘部的步骤包括以下步骤：通过使所述第1电极的所述上表面的面向所述孔的所述开口部的部分氧化，来形成所述绝缘部。

12.一种电容器的制造方法，包括：

在第1电极的上表面形成绝缘膜的步骤；

在所述绝缘膜的上表面形成电介质层的步骤；

在所述绝缘膜形成绝缘部的步骤；和

设置与所述电介质层的上表面对置的第2电极的步骤，

所述电介质层具有位于所述电介质层的所述上表面的下表面，

所述电介质层由填铺于所述电介质层的所述上表面的多个金属氧化物片构成，

所述电介质层具有孔，该孔由所述多个金属氧化物片间的空隙构成并贯通，并具有在所述电介质层的所述下表面开口的开口部，

所述绝缘部覆盖所述孔的所述开口部。

13.根据权利要求12所述的电容器的制造方法，其中，

所述绝缘膜具有电极覆盖部，该电极覆盖部位于所述电极的所述上表面和所述电介质层的所述下表面之间，

所述绝缘部比所述电极覆盖部厚。

14.根据权利要求13所述的电容器的制造方法，其中，

所述第1电极由金属构成，

形成所述绝缘部的步骤包括以下步骤：在所述绝缘膜的所述上表面设置所述电介质层的所述下表面的步骤之后，使与抵接于所述孔的所述开口部的所述绝缘膜的部分相抵接的所述电极的部分氧化。

15.根据权利要求10或12所述的电容器的制造方法，其中，

所述电介质层的厚度为0.3nm以上50nm以下。