DE102010063718A1 - Dielektrische Schicht für ein elektrisches Bauelement, elektrisches Bauelement mit dielektrischer Schicht und Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelements mit dielektrischer Schicht - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Schicht (4) für ein elektrisches Bauelement (100) mit organischem Dielektrikum auf einem Leiterplattensubstrat (1), einem Prepreg oder einer Leiterplatine, wobei die dielektrische Schicht (4) eine ionische Flüssigkeit, vorzugsweise in einer Polymermatrix, aufweist, und ein elektrisches Bauelement (100), mit einer ersten Elektrodenschicht (2), einer organischen Isolationsschicht (3), welche auf der ersten Elektrodenschicht (2) in einer Monolage angeordnet ist, einer dielektrischen Schicht (4), welche eine ionische Flüssigkeit in einer Polymermatrix aufweist und welche auf der organischen Isolationsschicht (3) angeordnet ist, und einer zweiten Elektrodenschicht (5), welche auf der dielektrischen Schicht (4) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Schicht für ein elektrisches Bauelement, ein elektrisches Bauelement mit dielektrischer Schicht und ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelements mit dielektrischer Schicht.
  • Stand der Technik
  • In der Leiterplattenfertigung nimmt die Integrationsdichte in hohem Maße zu. Dadurch ergibt aus Gründen des Platzbedarfs die Notwendigkeit, passive Komponenten wie Widerstände oder Kondensatoren direkt auf die Leiterplatte zu integrieren. Derartige passive Komponenten sollten deshalb möglichst kompakt sein, um den vorhandenen Platz auf einer Leiterplatte optimal ausnutzen zu können.
  • Im Sinne einer solchen Miniaturisierung ist es daher besonders vorteilhaft, dünnste Schichten, insbesondere Monolagen, mit genau angepasster Funktionalität in elektronischen Bauelementen, insbesondere auch in organischen elektrischen Bauelementen, einzusetzen. Damit Moleküle in Monolagen sich selbst organisieren und damit höchste Funktionalität und Funktionsdichte zeigen, empfiehlt es sich, sie an den jeweiligen Elektroden durch Kopf- oder Ankergruppen festzumachen, wodurch eine Ausrichtung der Linkergruppen, also der die beiden Enden verbindenden Gruppen, automatisch erfolgt. Die Anbindung an das Substrat findet spontan statt, sofern das Substrat entsprechend vorbereitet wurde. Die spezifische Funktionalität wird durch die Linker und Kopfgruppen bestimmt. Der Anker bestimmt die Selbstorganisation.
  • Gerade Kondensatoren werden immer häufiger in der Leiterplattenfertigung, beispielsweise für Computerplatinen oder Mobilfunkkomponenten, eingesetzt, um bei der Kommunikation zwischen den Komponenten ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Betrug das Verhältnis von Kondensatoren und Widerständen früher etwa 1:1, so ist auf modernen Leiterplatten das Verhältnis mittlerweile etwa 3:1.
  • Es besteht daher ein Bedarf an kompakten und effizient zu fertigenden elektrischen Bauelementen, welche eine hohe Integrationsdichte aufweisen. Insbesondere bei Kondensatoren besteht ein Bedarf an robusten, zuverlässigen und vor allem flachen Kondensatoren, die dennoch eine hohe Kapazität pro Flächeneinheit aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit einem organischen Dielektrikum zu versehen, welches in einem Parallelprozess auf einem Prepreg oder anderen gängigen Leiterplattensubstraten hergestellt werden kann. Dabei wird eine selbstorganisierende Monolage (SAM) mit einer Schutzschicht hoher Dielektrizitätskonstante versehen, wobei die Schutzschicht eine ionische Flüssigkeit in einer Polymermatrix umfasst. Während die selbstorganisierende Monolage (SAM) das elektrische Isolations- und Durchbruchverhalten des elektrischen Bauelements bestimmt, dient die erfindungsgemäße Schutzschicht zur Erhöhung der Integrationsdichte des elektrischen Bauelements.
  • Die Erfindung schafft daher eine dielektrische Schicht nach Anspruch 1 für ein elektrisches Bauelement mit organischem Dielektrikum auf einem Leiterplattensubstrat (1), einem Prepreg oder einer Leiterplatine, wobei die dielektrische Schicht (4) eine ionische Flüssigkeit, vorzugsweise in einer Polymermatrix, aufweist. Ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, eine hohe Kapazitätsdichte im Gleichspannungsbereich bzw. im niederfrequenten Spannungsbereich aufzuweisen, und dadurch eine hohe Dielektrizitätszahl des Dielektrikums kapazitiver Bauelemente bei geringer Schichtdicke zu ermöglichen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die ionische Flüssigkeit Anionen und alkylierte Kationen umfassen, insbesondere Fluorophosphate, Fluoroborate, Phenylborate, Sulfonylimide, Triflate, Bis-Tiflylamide, Sulfonate, Chloride, Bromide und/oder Benzoate als Anionen und quartäre Ammoniumverbindungen wie Aklkylammonium, alkyliertes Imidazolium und/oder alkyliertes Pyridinium, Natriumionen, Cäsiumionen und/oder alkyliertes Phosphonium als Kationen.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Polymermatrix Harze auf der Basis von Epoxiden, Acrylaten, Urethanen oder Carbonaten, Polyester, Polaraide, Polyimide, Polybenzoxazole, Polyvinyolidendifluoride, Polyvinylverbindungen, Carbazole, Copolymere und/oder Block-Copolymere. Die Polymermatrix kann dabei optional über Melamin-Co-Formaldehyd vernetzt sein.
  • Die Erfindung schafft weiterhin ein elektrisches Bauelement nach Anspruch 9 mit einer ersten Elektrodenschicht, einer organischen Isolationsschicht, welche auf der ersten Elektrodenschicht in einer Monolage angeordnet ist, einer dielektrischen Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche auf der organischen Isolationsschicht angeordnet ist, und einer zweiten Elektrodenschicht, welche auf der dielektrischen Schicht angeordnet ist.
  • Das elektrische Bauelement kann vorzugsweise auf einem Leiterplattensubstrat, einem Prepreg oder einer Leiterplatine angeordnet sein, ein integriertes kapazitives Bauelement darstellen, wie beispielsweise einen Speicherkondensator in einer elektronischen Schaltung.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die organische Isolationsschicht eine organische Verbindung für eine selbstorganisierende Monolage mit einer Ankergruppe mit einer Phosphonsäure oder einem Phosphonsäurederivat zum Verankern der organischen Verbindung an der ersten Elektrodenschicht und einer Linkergruppe und einer Kopfgruppe für die Anbindung an die dielektrische Schicht. Derartige Isolationsschichten sind sehr flach und bieten gleichzeitig hervorragende Isolations- und Durchbrucheigenschaften.
  • Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 14 zum Herstellen eines elektrischen Bauelements, mit den Schritten:
    Aufbringen einer organischen Isolationsschicht auf einer dekapierten ersten Elektrodenschicht in einer selbstorganisierenden Monolage;
    Aufbringen einer ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix auf der organischen Isolationsschicht zum Herstellen einer dielektrischen Schicht; und
    Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht auf der dielektrischen Schicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann dabei die ionische Flüssigkeit mit einem Polymer gemischt sein und in einem organischen Lösungsmittel auf der organischen Isolationsschicht aufgebracht werden. Vorzugsweise wird das organische Lösungsmittels zum Herstellen der dielektrischen Schicht dann verdampft. Dies bietet den Vorteil, gleichmäßig ebene und äußerst trockene dielektrische Schichten herstellen zu können.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die gelöste Mischung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Polymer über ein Rotationsbeschichtungsverfahren, ein Tintendruckverfahren, ein Siebdruckverfahren oder ein Sprühverfahren aufgebracht werden.
  • Weitere Modifikationen und Variationen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen dabei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 1a eine schematische Darstellung eines detaillierten Ausschnitts des Aufbaus des elektrischen Bauelements nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung der Rauhigkeit eines dekapierten Leiterplattensubstrats eines elektrischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 einen Frequenzverlauf des Betrags der Impedanz eines elektrischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 einen Frequenzverlauf der Phase der Impedanz eines elektrischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 einen Frequenzverlauf der relativen Dielektrizitätskonstanten eines elektrischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
  • 6 einen Frequenzverlauf der Kapazität und des Phasenwinkels eines Kondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
  • Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende Komponenten.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Als organische Verbindung für eine selbstorganisierende Monolage werden vorstehend Verbindungen bezeichnet, die sich aufgrund einer bestimmten Ankergruppe in der Schicht ausrichten, so dass eine Mehrzahl der Moleküle parallel und/oder gleich ausgerichtet in der Schicht vorliegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können viele kommerziell erhältliche Materialien Anwendung finden und zur Herstellung von dichten Monolagen verwendet werden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Beispielhaft ist in 1 ein Kondensator 100 gezeigt, welcher auf einem Leiterplattensubstrat 1 aufgebracht ist. Das Leiterplattensubstrat 1 kann jedes gängige Leiterplattensubstrat sein. Es kann auch möglich sein, den Kondensator 100 auf einem Prepreg, einer Leiterplatine oder einem ähnlichen Substrat aufzubringen.
  • Als Basismaterial für den Kondensator 100 dient eine nach gebräuchlichen Methoden dekapierte Metallschicht 2. Die Metallschicht 2 kann beispielsweise Kupfer umfassen, welches mit einer Auflage von etwa 5 bis 30 μm und einer Rauheit im μm-Bereich auf dem Leiterplattensubstrat 1 angeordnet ist. Die Dekapierung kann beispielsweise durch Entfetten mit organischen Lösungsmitteln und anschließendem Anätzen mit Peroxodisulfaten und Schwefelsäure erfolgen. 2 illustriert beispielhaft die Rauheit 200 einer dekapierten Metallschicht 2.
  • Eine zusätzliche Reinigung der Metalloberfläche 2 kann beispielsweise kathodisch erfolgen. Dazu kann in verdünnter Natriumcarbonatlösung das Leiterplattensubstrat 1 als Kathode geschaltet und bei einem Stromfluss von 10 bis 100 mA/cm2 durch den entstehenden Wasserstoff gereinigt werden.
  • Durch die Dekapierung beträgt der Kontaktwinkel gegenüber Wasser kleiner 5°. Die Metalloberfläche 2 wird dadurch sehr hydrophil. Im Folgenden wird beispielhaft auf Kupfer als Metall für die Metallschicht 2 Bezug genommen. Zur Vermeidung der Oxidation des Kupfers und als Primer für die nachfolgende dünne, nur lokal planarisierende Polymerabscheidung wird im unmittelbarem Anschluss eine Monolage 3 einer organischen Phosphonsäure abgeschieden.
  • Bevorzugt sind die langkettigen Phosphonsäuren, wie Decyl- bis Octadecylphosphonsäure, allgemein CH3-(CH2)n-PO(OH)2, wobei n = 8 – 25, bevorzugt n = 18. Die Molekülkette kann auch als Polyetherkette ausgebildet sein (-O-CH2-CH2-O-)m, wobei m zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 2 und 10 liegt. Der Kontaktwinkel gegenüber Wasser erhöht sich nach Abscheidung einer Octadecylphosphonsäure auf > 130° für Alkylphosphonsäuren und ist damit ein Indiz für die Qualität der Abscheidung. Die Alkylketten können auch ganz oder teilweise fluoriert sein.
  • Alternativ kann die Abscheidung auch über die Phosphonsäureester bzw. deren Salze oder andere Derivate wie Amine oder ähnliches erfolgen. Die Salze können direkt in Lösung durch Zugabe geringerer oder äquivalenter Mengen an Lauge (NaOH, KOH, Ammoniak oder Ammoniumhydroxide) erhalten werden.
  • Als Kopfgruppe können einfachste verzweigte, unverzweigte Alkyl- oder für weitere Reaktionen, beispielsweise für Vernetzung, geeignete Alkenylgruppen dienen. Die Kopfgruppe können eine Fluor-, Nitril-, Amino-, Ester-, Aldehyd-, Epoxy- oder Säurefunktion darstellen. Im Falle einer Fluorierung kann die Kopfgruppe aus -CF3, -CHF2 oder CH2F bestehen.
  • 1a zeigt einen detaillierten Ausschnitt der Monolage 3 in 1. Dabei sind die organischen Verbindungen selbstorganisiert im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, wobei die Ankergruppe 32 die organischen Verbindungen an der Metallschicht 2 anbindet, und die über eine Linkergruppe mit der Ankergruppe verbundene Kopfgruppe 31 eine Anbindung an eine auf die Monolage 3 aufzubringende dielektrische Schicht ermöglicht. Insbesondere an Stellen hoher Oberflächenkrümmung 3a der Oberfläche der Metallschicht 2 kann die Monolage 3 eine gute Isolation bereitstellen.
  • Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität wird auf die Monolage 3 zur Stabilisierung und/oder für die lokale Planarisierung des Kondensators 100 eine dielektrische Schicht 4 aufgebracht, welche zur lokalen Planarisierung der Metallschicht 2 eingesetzt wird.
  • Das Leckstromverhalten und die Zuverlässigkeit des Kondensators 100 wird fast ausschließlich durch die selbstorganisierende Monolage 3 bestimmt. Daher können zur Planarisierung prinzipiell beliebige Polymere verwendet werden, sofern sie mit den Leiterplattenprozessen kompatibel sind. Insbesondere kann es von Vorteil sein, die dielektrische Schicht 4 so flach wie möglich zu halten, bevorzugt weniger als 1000 nm, insbesondere weniger als 500 nm. Für die Ausbildung der dielektrischen Schicht 4 sind nasschemische Verfahren, wie beispielsweise Aufschleudern (”spin coating”), Tintenstrahldrucken, Siebdrucken, Tauchen, Vorhangbeschichtung, Rakeln oder ähnliche Verfahren geeignet.
  • Beim Einsatz herkömmlicher Polymere ergibt eine effektive Schichtdicke der dielektrischen Schicht 4 von etwa 550 bis 600 nm beispielsweise eine Integrationsdichte von etwa 50 pF/mm2 bei einer Dielektrizitätskonstanten von 3,17. Diese Werte können je nach verwendeten Polymeren selbstverständlich variieren. Um Integrationsdichten von über 200 pF/mm2 zu erreichen, muss die Dielektrizitätskonstante allerdings wesentlich höher sein.
  • Erfindungsgemäß wird daher eine ionische Flüssigkeit in einer Polymermatrix zur Ausbildung der dielektrischen Schicht 4 verwendet. Dabei kann auf eine Vielzahl herkömmlicher Polymere zur Ausbildung der Polymermatrix zurückgegriffen werden.
  • Neben novolack-artigen Polymeren können auch Harze auf der Basis von Epoxiden, Acrylaten, Urethanen oder Carbonaten zur Ausbildung der Polymermatrix der dielektrischen Schicht 4 verwendet werden. Weitere mögliche Polymere umfassen Polyester, Polyamide, Polyimide, Polybenzoxazole, Polyvinylidendifluorid und andere teflonartige Materialien, Polyvinylverbindungen wie Carbazole, Alkohole und deren Ester. Co-polymere oder Block-Copolymere wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) sind ebenfalls geeignet. Die Molmasse der Polymere kann dabei im Bereich zwischen 102 und 108 liegen.
  • Als ionische Flüssigkeiten zur Ausbildung der dielektrischen Schicht 4 können Flüssigkeiten verwendet werden, welche Anionen und alkyierte Kationen aufweisen können. Beispielsweise können als Anionen Fluorophosphate, Fluoroborate, Phenylborate, Sulfonylimide, Triflate, Bis-Triflylamide, Sulfonate, Chloride, Bromide und/oder Benzoate verwendet werden. Als alkylierte Kationen können beispielsweise quartäre Ammoniumverbindungen oder alkyliertes Phosphonium umfassen. Quartäre Ammoniumverbindungen können dabei beipsielsweise Aklkylammonium, alkyliertes Imidazolium oder alkyliertes Pyridinium umfassen. Es kann auch möglich sein, als Kationen Natriumionen oder Cäsiumionen zu verwenden.
  • Konkrete Beispiele für zur Ausbildung der erfindungsgemäßen dielektrischen Schicht verwendete ionische Flüssigkeiten sind 1-Benzyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Butyl-2,3-dimethylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Butyl-1-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)imidazoliumhexafluorophosphat, 1-Methyl-3-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)imidazoliumhexafluorophosphat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumhexafluorophosphat, 1-Butyl-2,3-dimethylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumtrifluoromethansulfonat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtrifluoromethansulfonat, 1,2,3-Trimethylimidazoliumtrifluoromethansulfonat, 1-Butyl-3-methylimidazoliummethansulfonat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbis(pentafluoroethylsulfonyl)imid, 1-Butyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid, Tetrabutylammoniumbis-trifluoromethansulfonimidat, Tetrabutylammoniummethansulfonat, Tetrabutylammoniumnonafluorobutansulfonat, Tetrabutylammoniumheptadecafluorooctansulfonat, Tetrabutylammoniumtetrafluoroborat, Tetrabutylammoniumtrifluoromethansulfonat, Tetrabutylammoniumbenzoat, Tetrabutylammoniumchlorid, Tetrabutylammoniumbromid, Tetrabutylammoniumfluorid, 1-Benzyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat, Trihexyltetradecylphosphoniumhexafluorophosphat, Tetrabutylphosphoniummethansulfonat, Tetrabutylphosphoniumtetrafluoroborat, Tetrabutylphosphoniumbromid, Tetrabutylphosphoniumfluorid, Tetrabutylphosphoniumchlorid, 1-Butyl-3-methylpyridiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid, 1-Butyl-4-methylpyridiniumhexafluorophosphat, 1-Butyl-4-methylpyridiniumtetrafluoroborat, Natriumtetraphenylborat, Tetrabutylammoniumtetraphenylborat, Natriumtetrakis(1-imidazolyl)borat und Cäsiumtetraphenylborat. Es ist selbstverständlich, dass vorstehend genannte Beispiele nur eine kleine Auswahl der möglichen ionischen Flüssigkeiten zur Ausbildung einer dielektrischen Schicht 4 darstellen, und dass andere nicht genannte Beispiele ebenfalls hierfür geeignet sein können. Beispielsweise können auch ionische Flüssigkeiten auf metallorganischer Basis verwendet werden.
  • Um eine trockene und stabile dielektrische Schicht 4 zu erhalten, kann ein Massenverhältnis von Polymer zu ionischer Flüssigkeit im Bereich zwischen 1:10 und 10:1 verwendet werden. Es kann auch möglich sein, lediglich eine geeignete ionische Flüssigkeit zur Ausbildung der dielektrischen Schicht 4 vorzusehen.
  • Die dielektrische Schicht 4 kann beispielsweise aus einer Lösung aufgebracht werden. Dazu können 1 bis 50%, bevorzugt 5 bis 20% des Polymers mit oder ohne Vernetzer in einem organischen Lösungsmittel gelöst, wie beispielsweise Propylenglykolmonoethyletheracetat (PGMEA), Tetrahydrofuran, Dioxan, Chlorbenzol, Diethylenglykoldiethylether, Diethylenglykolmonoethylether, gamma-Butyrolacton, N-Methylpyrrolidon, Ethoxyethanol, Xylol, Toluol, oder ähnlichen Lösungsmitteln und durch Spincoating, Siebdruck, Tintenstrahldruck Sprühen oder ähnliche Verfahren in entsprechender Dicke aufgebracht. Im Anschluss wird das Lösungsmittel durch einen Wärmeschritt verdampft, wobei die trockene bzw. ausgehärtete dielektrische Schicht 4 übrig bleibt. Die Polymere können thermisch oder photochemisch vernetzt werden. Die Vernetzung ist optional, wobei mögliche Vernetzer Photosäuren sind. Beispielsweise kann als Vernetzer für novolack-artige Systeme Melamin-Co-Formaldehyd verwendet werden. Die Vernetzung kann bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 180°C und 230°C durchgeführt werden. Nach der Vernetzung wird die dielektrische Schicht zur mechanischen Stabilisierung nicht mehr durch Lösungsmittel angegriffen.
  • Im Falle der Verwendung von Acrylaten und Epoxiden können die Monomere oder Oligo-Verbindungen durch Spincoating oder Drucken aufgebracht werden und im Anschluss thermisch oder photochemisch zur dielektrischen Schicht 4 vernetzt werden.
  • Auf der dielektrischen Schicht 4 kann eine zweite Elektrodenschicht 5 aufgebracht werden. Die zweite Elektrodenschicht 5 kann daher mit einem Versorgungspotential Vs verbunden werden, so dass bei einer Verbindung der ersten Elektrodenschicht 2 mit einem zweiten Potential 6, beispielsweise einem Massepotential, der Kondensator 100 gebildet wird. Als zweite Elektrodenschicht 5 für den Kondensator 100 kann jedes Metall oder dessen Legierung oder leitfähige metallhaltige Druckpasten dienen. Ebenfalls geeignet sind organische Leiter, wie PEDOT (Polystyrolsulfonsäure-dotiertes Polydiethoxythiophen) oder PANI (Champersulfonsäure-dotiertes Polyanilin). Besonders bevorzugt sind jedoch die in der Leiterplattenindustrie benutzten Metalle Kupfer, Aluminium, Nickel, Gold und Silber bzw. deren Legierungen. Vollflächige aufgebrachte Metallgegenelektroden können im Anschluss durch bekannte Ätz- und mechanische Ablationsverfahren, beispielsweise mit einem Laser, strukturiert werden. Werden mehrere Kondensatoren 100 mit einer gemeinsamen Elektrodenschicht 5 versehen ist, kann die Abscheidung der Elektrodenschicht 5 auch aus der Gasphase mittels Schattenmasken erfolgen.
  • Die zweite Elektrodenschicht 5 kann auch durch stromlose Metallisierung nach lokaler oder vollflächiger Bekeimung aufgebracht werden. Es können hierzu alle gängigen Verfahren der Leiterplattenindustrie verwendet werden, da die dielektrische Schicht 4, insbesondere nach einer Vernetzung, gegenüber den üblichen Medien der Leiterplattenindustrie kompatibel ist.
  • Der vorgesehene Aufbau einer Elektrodenschicht mit einer darauffolgenden Isolatorschicht kann nicht nur in einem Kondensator, wie in 1 beispielhaft gezeigt, vorteilhaft eingesetzt werden, sondern er eignet sich prinzipiell auch als Gatedielektrikum für organische Feldeffekttransistoren zur direkten Integration in die Leiterplatte, als Substrat für topemittierende OLEDs (organische Leuchtdioden) oder für Solarzellen.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für einen Herstellungsprozess für ein elektrisches Bauelement mit einem organischen Dielektrikum unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix angegeben.
  • Eine mit 30 μm Kupfer kaschierte FR4-Platine wird auf ein Maß 50 × 50 mm2 zugeschnitten. Dieser Zuschnitt wird zunächst mit Aceton und Isopropanol von Fett befreit. Ein kommerzieller Photolack (TMSR8900) wird 20 s bei 6000 Umdrehungen aufgeschleudert und 60 s bei 110°C auf einer heißen Platte getrocknet. Der Photolack wird 7 s mit UV-Licht einer Wellenlänge von 365 nm belichtet und 60 s in wässrig alkalischem Entwickler entwickelt. Im Anschluss an die Fotostrukturierung wird 3 min bei 40°C in einer 5% Ammoniumperoxodisulfatlösung dekapiert. Nach dem Spülen mit Wasser und Isopropanol wird die Platine in eine Lösung von Octadecylphosphonsäure (0.2–0.25 g) in Isopropanol (100 ml) gelegt. Nach 12 Stunden wird die Platine mit Isopropanol gespült und 1 min bei 100°C im Stickstoffstrom getrocknet.
  • Nach dem Dekapieren beträgt der Kontaktwinkel gegenüber Wasser 1° bis 4°. Nach der Abscheidung der Octadecylphosphonsäure beträgt der Kontaktwinkel 135°, was auf eine exzellente Bedeckung der Kupferschicht schließen lässt.
  • Wenn nun im Anschluss daran 100 nm Aluminium über eine Schattenmaske direkt auf die Monolage aus Octadecylphosphonsäure als Gegenelektroden aufgedampft werden, zeigt sich zunächst, dass die so hergestellten Kondensatoren kurzgeschlossen sind. Dies zeigt sich in den in 3 und 4 dargestellten Kennlinien. Die elektrischen Kennlinien weisen einen Betrag |Z| von etwa 10 Ω und Phasenwinkel θ der Impedanz Z von etwa 0° auf, das heißt, der Kondensator ist nicht funktionsfähig.
  • Zur Herstellung eines funktionsfähigen Kondensators ist es daher notwendig, eine dielektrische Schicht auf der Monolage aus Octadecylphosphonsäure aufzubringen. Hierzu wird eine zweite dielektrische Schicht durch Rotationsbeschichtung mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 1000 rpm aufgebracht. Der so gebildete Film wird in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von 180° getrocknet. Für die zweite dielektrische Schicht kann beispielsweise eine Mischung aus 70 Gew.-% PGMEA, 20 Gew.-% Poly(4-vinylphenol) und 10 Gew.-% 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat (BMIM-PF6) verwendet werden.
  • 5 zeigt in einem Frequenzdiagramm 500 den Frequenzverlauf 501 der relativen Dielektrizitätskonstanten er der so erzeugten, 1800 nm dicken dielektrischen Schicht, welche mit Hilfe von Profilometermessungen ermittelt worden sind. Dünnere Schichten sind dabei durch Variation der Rotationsparameter und dem Feststoffgehalt in der Lösung erreichbar. Über einen großen Frequenzbereich f von etwa 1 bis 100 Hz weist die dielektrische Schicht aus einer ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix eine sehr hohe relativen Dielektrizitätskonstante er von etwa 800 bis 1200 auf.
  • Als Referenz ist der Frequenzverlauf 502 der relativen Dielektrizitätskonstanten εr einer reinen Polymerschicht aus 80 Gew.-% PGMEA und 20 Gew.-% Poly(4-vinylphenol) gezeigt, die eine Dicke von 1200 nm aufweist. Dabei lässt sich in 5 erkennen, dass die relative Dielektrizitätskonstante er der dielektrischen Schicht mit einer ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix in niedrigen Frequenzbereichen um mehr als den Faktor 400 höher als der Referenzschicht ist, was durch das Einbringen des BMIM-PF6 bedingt ist. Mit steigender Frequenz kann aufgrund der begrenzten Mobilität der Ionen in der Polymermatrix die Antwort der Polarisation der Änderung des elektrischen Feldes nicht mehr folgen. Im Frequenzbereich über 10 kHz sinkt die relative Dielektrizitätskonstante εr daher auf einen der reinen Polymerschicht entsprechenden Wert.
  • Für Anwendungen als Speicherkondensator in elektronischen Schaltungen ist jedoch ein Einsatz dieser kapazitiven Bauelemente bei hohen Frequenzen nicht notwendig.
  • Die Abhängigkeit der Kapazität von der Elektrodenfläche ist bei den so hergestellten kapazitiven Bauelementen streng linear. Dies zeigt, dass sich auch großflächige Kapazitäten, beispielsweise bis zu einer Fläche von 20 mm2 herstellen lassen. Die Korrelation zwischen der Kapazität und Elektrodenfläche ist für Werte zwischen 0,19 mm2 und 20 mm2 mit einem mittleren quadratischen Korrelationskoeffizienten von über 0,99 sehr gut.
  • 6 zeigt in einem Diagramm 600 den Frequenzverlauf 601 der Kapazität C und den Frequenzverlauf 602 des Phasenwinkels θ eines Kondensators mit nach obigem Beispiel hergestellter dielektrischer Schicht mit BMIM-PF6-Poly(4-vinylphenol) und einer Elektrodenfläche von 1 mm2. Im niedrigen Frequenzbereich wird eine sehr hohe kapazitive Integrationsdichte von über 100 nF/mm2 erreicht. Mit steigender Frequenz steigen auch die dielektrischen Verluste und die Integrationsdichte sinkt bis auf etwa 1 nF/mm2.

Claims (16)

  1. Dielektrische Schicht (4) für ein elektrisches Bauelement (100) mit organischem Dielektrikum auf einem Leiterplattensubstrat (1), einem Prepreg oder einer Leiterplatine, wobei die dielektrische Schicht (4) eine ionische Flüssigkeit aufweist.
  2. Dielektrische Schicht (4) nach Anspruch 1, wobei die ionische Flüssigkeit in einer Polymermatrix eingebettet. ist.
  3. Dielektrische Schicht (4) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die ionische Flüssigkeit Anionen und alkylierte Kationen umfasst.
  4. Dielektrische Schicht (4) nach Anspruch 3, wobei die Anionen Fluorophosphate, Fluoroborate, Phenylborate, Sulfonylimide, Triflate, Bis-Triflylamide, Sulfonate, Chloride, Bromide und/oder Benzoate umfassen.
  5. Dielektrische Schicht (4) nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die alkylierten Kationen quartäre Ammoniumverbindungen, Natriumionen, Cäsiumionen und/oder alkyliertes Phosphonium umfassen.
  6. Dielektrische Schicht (4) nach Anspruch 5, wobei die quartären Ammoniumverbindungen Aklkylammonium, alkyliertes Imidazolium und/oder alkyliertes Pyridinium umfassen.
  7. Dielektrische Schicht (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Polymermatrix Harze auf der Basis von Epoxiden, Acrylaten, Urethanen oder Carbonaten, Polyester, Polamide, Polyimide, Polybenzoxazole, Polyvinyolidendifluoride, Polyvinylverbindungen, Carbazole, Copolymere und/oder Block-Copolymere umfasst.
  8. Dielektrische Schicht (4) nach Anspruch 7, wobei die Polymermatrix über Melamin-Co-Formaldehyd vernetzt ist.
  9. Elektrisches Bauelement (100), mit: einer ersten Elektrodenschicht (2); einer organischen Isolationsschicht (3), welche auf der ersten Elektrodenschicht (2) in einer Monolage angeordnet ist; einer dielektrischen Schicht (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche auf der organischen Isolationsschicht (3) angeordnet ist; und einer zweiten Elektrodenschicht (5), welche auf der dielektrischen Schicht (4) angeordnet ist.
  10. Elektrisches Bauelement (100) nach Anspruch 9, wobei das elektrische Bauelement (100) auf einem Leiterplattensubstrat (1), einem Prepreg oder einer Leiterplatine angeordnet ist, und wobei das elektrische Bauelement (100) ein integriertes kapazitives Bauelement ist.
  11. Elektrisches Bauelement (100) nach Anspruch 10, wobei das elektrische Bauelement (100) ein Speicherkondensator in einer elektronischen Schaltung ist.
  12. Elektrisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die organische Isolationsschicht (3) eine organische Verbindung für eine selbstorganisierende Monolage umfasst.
  13. Elektrisches Bauelement (100) nach Anspruch 12, wobei die organische Verbindung eine Ankergruppe mit einer Phosphonsäure oder einem Phosphonsäurederivat zum Verankern der organischen Verbindung an der ersten Elektrodenschicht (2) und eine Linkergruppe und eine Kopfgruppe für die Anbindung an die dielektrische Schicht (4) umfasst.
  14. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelements (100), mit den Schritten: Aufbringen einer organischen Isolationsschicht (3) auf einer dekapierten ersten Elektrodenschicht (2) in einer selbstorganisierenden Monolage; Aufbringen einer ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix auf der organischen Isolationsschicht zum Herstellen einer dielektrischen Schicht (4); und Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht (5) auf der dielektrischen Schicht (4).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen der ionischen Flüssigkeit in einer Polymermatrix die Schritte umfasst: Aufbringen einer in einem organischen Lösungsmittel gelösten Mischung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Polymer auf der organischen Isolationsschicht; und Verdampfen des organischen Lösungsmittels zum Herstellen der dielektrischen Schicht (4).
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die gelöste Mischung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Polymer über ein Rotationsbeschichtungsverfahren, ein Tintendruckverfahren, ein Siebdruckverfahren oder ein Sprühverfahren aufgebracht wird.
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