CN117223075A - 电介质、电容器、电气电路、电路基板及设备 - Google Patents

Abstract

本公开的电介质(10)包含复合氧化物，该复合氧化物具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个，满足下述(I)、(II)或(III)的条件。(I)所述复合氧化物具有Nb、Bi及Ta。(II)所述复合氧化物具有Nb及Bi，且为无定形。(III)所述复合氧化物具有Bi及Ta，且为无定形。

Description

电介质、电容器、电气电路、电路基板及设备

技术领域

本公开涉及电介质、电容器、电气电路、电路基板及设备。

背景技术

以往，已知有利用钽及铌等金属作为阀金属的电容器(capacitor)。

例如，在专利文献1中，记载了由作为铌箔的阀作用金属箔和形成于阀作用金属箔上的电极层构成的固体电解电容(condenser)用电极部件。在电极层中，使用了熔点比阀作用金属箔高的阀作用金属或该阀作用金属的合金的粉末。作为阀作用金属可以举出钽，作为阀作用金属的合金可以举出包含铌的合金及钽与铌的合金。除此之外，在专利文献1中，记载了在该固体电解电容用电极部件的电极层之上依次层叠有电介质氧化皮膜层、固体电解质层及阴极层的固体电解电容。

在将包含阀作用金属或阀作用金属的合金的粉末的糊剂涂布于由阀作用金属箔构成的阳极体的表面之后，在真空气氛下对该糊剂进行烧结，来形成片状的电极层。进而，在磷酸溶液中进行阳极氧化，在电极层的表面形成电介质氧化皮膜层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-272958号公报

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1中记载的技术，从将电容器的介电损耗保持得低并提高静电容量的观点来看，存在再研究的余地。因此，本公开提供一种电介质，从将电容器的介电损耗保持得低并提高静电容量的观点来看是有利的。

用于解决课题的技术方案

本公开的电介质，

包含复合氧化物，该复合氧化物具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个，

满足下述(I)、(II)或(III)的条件。

(I)所述复合氧化物具有Nb、Bi及Ta。

(II)所述复合氧化物具有Nb及Bi，且为无定形。

(III)所述复合氧化物具有Bi及Ta，且为无定形。

发明效果

根据本公开，能够提供一种电介质，从将电容器的介电损耗保持得低并提高静电容量的观点来看是有利的。

附图说明

图1是本公开的实施方式所涉及的电容器的剖视图。

图2A是本公开的别的实施方式所涉及的电容器的剖视图。

图2B是图2A所示的电容器的变形例的剖视图。

图3A是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的电气电路的图。

图3B是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的电路基板的图。

图3C是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的设备的图。

图4是样本1至22的电介质膜的X射线衍射(XRD)图案。

图5是样本23至44的电介质膜的XRD图案。

图6是样本45至65的电介质膜的XRD图案。

图7是样本66的电介质膜的XRD图案。

具体实施方式

(成为本公开的基础的见解)

近年来，随着电子设备的小型化及高功能化，电子电路的小型化、高集成化及动作频率的高频化有所进展。关于电子电路中使用的电子零件，也同样要求小型化及高性能化。例如，认为：如果能够提供形状小、容量大且阻抗低的电容器，则能够对电子零件的小型化及高性能化做出贡献。作为单位体积的静电容量大的电容器，已知的有铝电解电容及钽电解电容。在铝电解电容中，使用在通过蚀刻而粗糙化了的铝箔的表面通过阳极氧化形成了氧化铝的、包含阀作用金属的阳极体。在钽电解电容中，使用例如在插入由钽形成的金属线(wire)的状态下对钽的粉末进行压缩成形及烧结而形成的多孔质体作为阳极体。

根据这样的阳极体的制法，认为多孔质体的小型化及薄型化存在极限，电容器的小型化也存在极限。也可以考虑像专利文献1中记载的技术那样，将包含钽及铌等阀作用金属或含有阀作用金属的合金的粉末的糊剂涂布于钽箔及铌箔等阀作用金属箔的表面，对该糊剂进行烧结。由此，认为能够获得在阀作用金属箔的表面形成有阀作用金属的多孔质层的电极体。认为这样的电极体能够有助于电容器的小型化及高容量化。另一方面，在专利文献1中，未公开通过电介质的特性来提高电容器的性能的尝试。

鉴于这样的情形，本发明人为了开发具有如下特性的新颖的电介质而反复进行了深入研究，该特性从将电容器的介电损耗保持得低并提高静电容量的观点来看是有利的。反复进行大量试错的结果，关于复合氧化物中是否含有Nb、Bi及Ta及它们的含量与包含该复合氧化物的电介质的特性之间的关系，本发明人得到了新的见解。基于该新的见解，本发明人研究出了本公开的电介质及电容器。

(本公开所涉及的一方案的概要)

本公开的第1方案所涉及的电介质，

包含复合氧化物，该复合氧化物具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个，

满足下述(I)、(II)或(III)的条件。

(I)所述复合氧化物具有Nb、Bi及Ta。

(II)所述复合氧化物具有Nb及Bi，且为无定形。

(III)所述复合氧化物具有Bi及Ta，且为无定形。

第1方案所涉及的电介质，容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切，从将电容器的介电损耗保持得低并提高静电容量的观点来看是有利的。

在本公开的第2方案中，例如，在第1方案所涉及的电介质中，所述复合氧化物也可以具有Nb_xBi_yTa(_1-x-y)O_k的组成。此外，所述组成也可以满足下述(i)或(ii)的条件，在所述组成中，k也可以为保持所述复合氧化物的电中性的值。

(i)x≥0.70及0＜y≤0.3

(ii)x＜0.70，0.10≤y≤0.90及0＜x+y≤1

根据第2方案，电介质更切实地容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。

在本公开的第3方案中，例如，第1或第2方案所涉及的电介质也可以为无定形。根据第3方案，电介质更切实地容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。

在本公开的第4方案中，例如，第1至第2方案中的任一方案所涉及的电介质也可以包括溅射膜。根据第4方案，例如可以通过溅射形成电容器用的电介质膜。

在本公开的第5方案中，例如，第1至第4方案中的任一方案所涉及的电介质也可以为电容器用。根据第5方案，可以将该电介质用于电容器。

本公开的第6方案所涉及的电容器，具备：

第一电极；

第二电极；以及

根据权利要求1至5中的任一项所述的电介质，配置于所述第一电极与所述第二电极之间。

根据第6方案，电介质容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切，所以电容器的静电容量容易变高且电容器的介电损耗容易保持得低。

在本公开的第7方案中，例如，在第6方案所涉及的电容器中，所述第一电极的至少一部分也可以为多孔质。根据第7方案，第一电极的表面积容易变大，电容器的静电容量容易变得更高。

在本公开的第8方案中，例如，在第6或第7方案所涉及的电容器中，所述第一电极也可以包含阀金属。根据第8方案，能够使用包含阀金属的部件作为第一电极。

在本公开的第9方案中，例如，在第8方案所涉及的电容器中，所述阀金属也可以为选自Ta、Nb及Bi中的至少1个。根据第8方案，能够使用包含选自Ta、Nb及Bi中的至少1个的部件作为第一电极。

在本公开的第10方案中，在第6方案至第9方案中的任一方案所涉及的电容器中，所述第二电极也可以包含选自Al、Ta、Nb、Bi、金、银、铂及镍中的至少1个。根据第10方案，能够使用包含这样的金属的部件作为第二电极。

在本公开的第11方案中，第7方案所涉及的电容器也可以还具备与所述第二电极接触的电解质。除此之外，所述电解质也可以填充于所述多孔质的内部，且包含选自电解液、导电性高分子及氧化锰中的至少1个。根据第11方案，能够提供一种具备电解液等电解质的电容器。

本公开的第12方案所涉及的电气电路，具备第6方案至第11方案中的任一方案所涉及的电容器。根据第12方案，容易降低电容器的介电损耗、且电容器的静电容量容易变高，所以电气电路的特性容易提高。

本公开的第13方案所涉及的电路基板，具备第6方案至第11方案中的任一方案所涉及的电容器。根据第13方案，容易降低电容器的介电损耗、且电容器的静电容量容易变高，所以电路基板的特性容易提高。

本公开的第14方案所涉及的设备，具备第6方案至第11方案中的任一方案所涉及的电容器。根据第14方案，容易降低电容器的介电损耗、且电容器的静电容量容易变高，所以设备的特性容易提高。

(实施方式)

以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。本公开不限定于以下的实施方式。

图1是示出本公开的实施方式的一例所涉及的电容器1a的剖视图。如图1所示，电容器1a具备电介质10。换言之，电介质10是电容器用的材料。电介质10包含复合氧化物，该复合氧化物具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个。除此之外，该复合氧化物满足下述(I)、(II)或(III)的条件。该复合氧化物中，作为金属原子，既可以仅具有Nb及Bi，也可以仅具有Bi及Ta，还可以具有Nb、Bi及Ta的全部。通过电介质10包含这样的复合氧化物，电介质10容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。因而，电容器1a容易发挥高的静电容量，且电容器1a的介电损耗容易保持得低。

(I)复合氧化物具有Nb、Bi及Ta。

(II)复合氧化物具有Nb及Bi，且为无定形。

(III)复合氧化物具有Bi及Ta，且为无定形。

电介质10中包含的复合氧化物例如是选自氧化铌、氧化铋及氧化钽中的至少2个的固溶体，满足上述(I)、(II)或(III)的条件。

电介质10中包含的复合氧化物例如具有Nb_xBi_yTa(_1-x-y)O_k的组成。在该组成中，满足下述(i)或(ii)的条件。除此之外，在该组成中，k为保持复合氧化物的电中性的值。通过复合氧化物具有这样的组成，电介质10更切实地容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。因而，更切实地，电容器1a容易发挥高的静电容量且电容器1a的介电损耗容易保持得低。

(i)x≥0.70及0＜y≤0.3

(ii)x＜0.70、0.10≤y≤0.90及0＜x+y≤1

在复合氧化物的组成满足(i)的条件时，y优选为0.01以上，更优选为0.02以上，进一步优选为0.09以上，特别优选为0.12以上，尤其优选为0.15以上。

在复合氧化物的组成满足(ii)的条件时，x既可以为0.65以下，也可以为0.60以下，还可以为0.55以下，又可以为0.50以下。x既可以为0.001以上，也可以为0.005以上，还可以为0.01以上，又可以为0.02以上。在x为0.078以下的情况下，复合氧化物能够视为实质上不包含Nb。

在复合氧化物的组成满足(ii)的条件时，y既可以为0.15以上，也可以为0.20以上，还可以为0.25以上，又可以为0.30以上。y既可以为0.85以下，也可以为0.80以下，还可以为0.75以下，又可以为0.70以下。

x+y的值既可以为0.05以上，也可以为0.10以上，还可以为0.15以上，又可以为0.20以上。x+y的值既可以为0.95以下，也可以为0.90以下，还可以为0.85以下，又可以为0.80以下。在x+y的值为0.097以上的情况下，复合氧化物能够视为实质上不包含Ta。

电介质10所具有的相对介电常数不限定于特定的值。电介质10例如具有比Ta₂O₅的相对介电常数高的相对介电常数。10kHz时的电介质10的相对介电常数例如为28.0以上，优选为30.0以上，更优选为32.0以上，进一步优选为35.0以上，特别优选为38.0以上。1MHz时的电介质10的相对介电常数例如为28.0以上，优选为30.0以上，更优选为32.0以上，进一步优选为35.0以上，特别优选为38.0以上。

电介质10所具有的介质损耗角正切不限定于特定的值。10kHz及1MHz时的电介质10的介质损耗角正切例如为0.1以下，优选为0.05以下，更优选为0.03以下，进一步优选为0.02以下。

电介质10例如为无定形。由此，在电介质10中难以发生漏电流。这是因为：认为在电介质10中，能够抑制由结晶晶界引起的漏电流的发生。因而，电介质10更切实地容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。例如，在电介质10的10°至50°的衍射角的XRD图案中，在未确认到具有5°以下的半值宽度、且相对于本底(background)清晰的峰值的情况下，能够判断为电介质10中包含的化合物为无定形。

如图1所示，在电容器1a中，电介质10例如形成为膜。电介质10例如包括溅射膜。这种情况下，电介质10更切实地容易具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。另外，复合氧化物中的各金属原子的组成比容易调整为所期望的值。电介质10可以是阳极氧化膜，也可以是其他的薄膜。形成其他的薄膜的方法例如是真空蒸镀、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)及化学气相沉积(CVD)。

如图1所示，电容器1a还具备第一电极21和第二电极22。电介质10配置于第一电极21与第二电极22之间。第二电极22覆盖着电介质10的至少一部分。

形成第一电极21及第二电极22的材料不限定于特定的材料。第一电极21及第二电极22例如包含金属。第一电极21例如包含阀金属。阀金属的例子为Al、Ta、Nb及Bi。第一电极21例如包含选自Ta、Nb及Bi中的至少1个作为阀金属。第一电极21可以包含金及铂等贵金属，也可以包含镍。

第二电极22例如可以包含Al、Ta、Nb及Bi等阀金属，也可以包含金、银及铂等贵金属，还可以包含镍。第二电极22例如包含选自Al、Ta、Nb、Bi、金、银、铂及镍中的至少1个。

如图1所示，第一电极21具有主面21p。电介质10的一主面例如与主面21p接触。第二电极22具有平行于主面21p的主面22p。电介质10的另一主面例如与主面22p接触。

图2A是示出本公开的实施方式的别的一例所涉及的电容器1b的剖视图。电容器1b除了特别说明的部分之外，与电容器1a同样地构成。对与电容器1a的构成要素相同或对应的电容器1b的构成要素，标注同一附图标记，省略详细说明。涉及电容器1a的说明只要技术上不矛盾，就也适用于电容器1b。

如图2A所示，在电容器1b中，第一电极21的至少一部分为多孔质。根据这样的构成，第一电极21的表面积容易变大，电容器的静电容量容易变高。这样的多孔质的构造例如能够通过金属箔的蚀刻及粉末的烧结处理等来形成。

如图2A所示，例如，在第一电极21的多孔质的部位的表面上形成有电介质10的膜。这种情况下，作为电介质10的成膜方法，能够采用阳极氧化法及ALD。

在电容器1b中，第二电极22例如配置成，填充第一电极21的多孔质的部位周围的空隙。

电容器1a及1b也可以是电解电容。这种情况下，例如，在第一电极21与第二电极22之间配置有电解质23。也可以在电介质10与第二电极22之间配置有电解质23。图2B示出作为电解电容构成的电容器1b的变形例。在电容器1b中，电解质23例如配置成，填充第一电极21的多孔质的部位周围的空隙。

电解质例如包含选自电解液及导电性高分子中的至少一个。导电性高分子的例子为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺及它们的衍生物。电解质可以是氧化锰等锰化合物。电解质也可以包含固体电解质。

通过将原料单体在电介质10之上进行化学聚合、电解聚合或化学聚合及电解聚合这双方，能够形成包含导电性高分子的电解质。也可以通过使导电性高分子的溶液或分散液附着于电介质10来形成包含导电性高分子的电解质。

图3A是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的电气电路3的图。如图3A所示，电气电路3具备电容器1a。电气电路3只要具备电容器1a即可，不限定于特定的电路。电气电路3既可以是有源电路，也可以是无源电路。电气电路3既可以是放电电路，也可以是平滑电路，还可以是去耦电路，又可以是耦合电路。由于电气电路3具备电容器1a，所以电气电路3容易具有所希望的特性。例如，在电气电路3中容易通过电容器1a降低噪声。电气电路3也可以具备电容器1b来代替电容器1a。

图3B是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的电路基板5的图。如图3B所示，电路基板5具备电容器1a。电路基板5只要具备电容器1a即可，不限定于特定的电路基板。电路基板5例如具备电气电路3。电路基板5既可以是嵌入式板，也可以是母板。电路基板5也可以具备电容器1b来代替电容器1a。

图3C是示意性地示出本公开的实施方式所涉及的设备7的图。如图3C所示，设备7具备电容器1a。设备7只要具备电容器1a即可，不限定于特定的设备。设备7例如具备电路基板5。设备7既可以是电子设备，也可以是通信设备，还可以是信号处理装置，又可以是电源装置。设备7既可以是服务器，也可以是AC适配器，还可以是加速器，又可以是液晶显示装置(LCD)等平板显示器。设备7既可以是USB充电器，也可以是固态驱动器(SSD)，还可以是PC、智能手机及平板PC等信息终端，又可以是以太网开关。

实施例

以下，通过实施例对本公开进一步进行详细说明。此外，以下的实施例为一例，本公开不限定于以下的实施例。

(样本的制作)

使用Ti及Pt作为靶进行溅射，在基板上形成了作为Ti薄膜及Pt薄膜的层叠体的下部电极。Ti薄膜与基板接触。作为基板，使用了Corning公司制造的无碱玻璃EAGLE XG。在溅射中，基板的环境保持为氩气占100％体积的0.3Pa的压力条件。除此之外，基板的温度调节为600℃。

接着，通过使用Nb₂O₅、Bi₂O₃及Ta₂O₅作为靶的共溅射法在下部电极上形成了各样本的电介质膜。以使得电介质膜的厚度成为100nm的方式调节了共溅射的条件。在共溅射中，基板的环境保持为氩气占100％体积的0.3Pa的压力条件。除此之外，基板未被加热。各样本中的Nb、Bi及Ta的组成比通过利用闸门的开闭而得到的成膜时间来进行调整。由此，得到了样本1至66所涉及的电介质膜。接着，使用Pt作为靶进行溅射，在电介质膜之上形成了具有104μm的直径及100nm的厚度的由Pt形成的上部电极。这样一来，得到了样本1至66。

(组成的确定)

使用岛津制作所公司制造的荧光X射线分析装置micro EDX-1400，在形成上部电极之前，对各样本所涉及的电介质膜进行荧光X射线分析，进行了各电介质膜中的元素的定量分析。采用基本参数法(FP法)作为定量分析的方法。根据定量分析的结果，决定了各样本所涉及的电介质膜中的Nb、Bi及Ta的原子数比。将结果示于表1及2。样本1至65所涉及的电介质膜中的复合氧化物可理解成：是选自氧化铌、氧化铋及氧化钽中的至少2个的固溶体。

(有无结晶相的确认)

使用Bruker公司制造的X射线衍射装置D8 Discover，在形成上部电极之前，对各样本所涉及的电介质膜进行了X射线衍射测定，取得了各电介质膜的2θ/θ扫描下的XRD图案。图4示出样本1至22的电介质膜的XRD图案。图5示出样本23至44的电介质膜的XRD图案。图6示出样本45至65所涉及的电介质膜的XRD图案。图7示出样本66所涉及的电介质膜的XRD图案。在图4至图7中，纵轴示出任意单位下的衍射强度，横轴示出衍射角。在图4至图6中，在沿着纵轴相邻的2个XRD图案的边界记载了表示衍射强度为0的刻度。在该测定中，使用Cu-Kα射线作为X射线源，将电压调节为50kV，将电流调节为100mA。使用二维检测器进行测定，变换为2θ。

(介电特性)

使用LCR仪表测定了各样本的电介质膜的10kHz及1MHz时的相对介电常数ε及介质损耗角正切tanδ。相对介电常数通过测定各样本的静电容量并基于该静电容量的测定值、电介质膜的厚度及电极面积来决定。测定时的周围温度为25℃。将结果示于表1及2。

如表1及2所示，样本1至65的电介质膜的10kHz及1MHz的频率时的相对介电常数超过了28.0。除此之外，样本1至65的电介质膜的10kHz及1MHz的频率时的介质损耗角正切为0.05以下，非常低。另一方面，样本66所涉及的电介质膜的10kHz及1MHz的频率时的介质损耗角正切为0.05以下，非常低。然而，样本66所涉及的电介质膜的10kHz及1MHz的频率时的相对介电常数小于28.0。根据以上，给出了如下启示：包含具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个的复合氧化物的电介质，满足高的相对介电常数及低的介质损耗角正切这双方。

如图4、图5及图6所示，在样本1至65的电介质膜的XRD图案中，未确认到具有5°以下的半值宽度且相对于本底清晰的峰值，能够判断为电介质膜中包含的化合物为无定形。给出了如下启示：通过上述的包含复合氧化物的电介质为无定形，电介质具有高的相对介电常数及低的介质损耗角正切。

样本66的电介质膜由Ta₂O₅单体形成。如图7所示，在样本66的电介质膜的XRD图案中，未确认到具有5°以下的半值宽度、且相对于本底清晰的峰值，能够判断为电介质膜中包含的化合物为无定形。

[表1]

[表2]

产业上的可利用性

本公开的电介质能够合适地在电解电容等电子零件中加以利用。

Claims (14)

1.一种电介质，

包含复合氧化物，所述复合氧化物具有选自Nb、Bi及Ta中的至少2个，

满足下述(I)、(II)或(III)的条件，

(I)所述复合氧化物具有Nb、Bi及Ta；

(II)所述复合氧化物具有Nb及Bi，且为无定形；

(III)所述复合氧化物具有Bi及Ta，且为无定形。

2.根据权利要求1所述的电介质，

所述复合氧化物具有Nb_xBi_yTa(_1-x-y)O_k的组成，

所述组成满足下述(i)或(ii)的条件，

在所述组成中，k为保持所述复合氧化物的电中性的值，

(i)x≥0.70及0＜y≤0.3；

(ii)x＜0.70、0.10≤y≤0.90及0＜x+y≤1。

3.根据权利要求1或2所述的电介质，

所述电介质为无定形。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电介质，

所述电介质包括溅射膜。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电介质，

所述电介质为电容器用。

6.一种电容器，具备：

第一电极；

第二电极；以及

权利要求1至5中的任一项所述的电介质，配置于所述第一电极与所述第二电极之间。

7.根据权利要求6所述的电容器，

所述第一电极的至少一部分为多孔质。

8.根据权利要求6或7所述的电容器，

所述第一电极包含阀金属。

9.根据权利要求8所述的电容器，

所述阀金属为选自Ta、Nb及Bi中的至少1个。

10.根据权利要求6至9中的任一项所述的电容器，

所述第二电极包含选自Al、Ta、Nb、Bi、金、银、铂及镍中的至少1个。

11.根据权利要求7所述的电容器，

还具备与所述第二电极接触的电解质，

所述电解质填充于所述多孔质的内部，且包含选自电解液、导电性高分子及氧化锰中的至少1个。

12.一种电气电路，

具备权利要求6至11中的任一项所述的电容器。

13.一种电路基板，

具备权利要求6至11中的任一项所述的电容器。

14.一种设备，

具备权利要求6至11中的任一项所述的电容器。