DE102017111464B4

DE102017111464B4 - Kompakte kondensatoren und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE102017111464B4
Application number: DE102017111464.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver G. Schmidt
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz Koerperscha De
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: DE102017111464A1

Abstract

Kompakte Kondensatoren, bestehend aus jeweils mindestens einem aufgerollten Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien, wobei mindestens zwei aufgerollte Schichtstapel stirnseitig nebeneinander angeordnet sind, und- mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind,- wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht,oder- mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind,- wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht,und- mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und der weiteren Schicht nicht behindert und/oder selbst aufrollbar ist, am Anfang in Aufrollrichtung mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden ist und auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln oder auf oder unter der weiteren Schicht angeordnet ist, undwobei in allen Fällen die mindestens zwei aufgerollten kompakten Kondensatoren, die durch die mindestens teilflächige mindestens eine weitere Schicht oder eine weitere Schicht und das Bauelement nebeneinander angeordnet und stofflich über diese Schicht oder über diese Schicht und das Bauelement miteinander verbunden sind, stofflich voneinander trennbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikro- und Nanoelektronik und betrifft aufgerollte magnetische Kondensatoren, wie sie beispielsweise in elektronischen Schaltkreisen und insbesondere in Smartphones als SMD („Surface Mounted Device“)-Kondensatoren eingesetzt werden können, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Kondensatoren sind in nahezu allen elektrischen und elektronischen Geräten zu finden.
Für die elektrische Kapazität eines Kondensators ist die Fläche, die den Kondensator ausmacht von Bedeutung. Je größer diese Fläche ist, desto größer ist die elektrische Kapazität.
Dabei ist jedoch zu beachten, dass Kondensatoren als elektronische Bauelemente in elektronischen Schaltkreisen in elektronischen oder elektrischen Geräten eingebaut werden. Derartige Kondensatoren sollen dabei eine möglichst geringe Baufläche innerhalb der Geräte einnehmen, damit die Funktionsdichte solcher Bauelemente weiter erhöht werden kann.
Bei der Roll-up-Technologie werden Schichten auf ein Substrat aufgebracht, die sich nachfolgend beim kontrollierten Ablösen vom Substrat von selbst aufrollen. Der Mechanismus des selbstständigen Aufrollens wird beispielsweise durch Aufbringen der Schichten in einem Verspannungszustand und nachfolgendes mechanisches Entspannen durch Ablösen der Schichten vom Substrat realisiert.
Gemäß der US 8136213 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren bekannt, bei dem ein Schichtaufbau durch Auflösung einer Opferschicht vom Substrat abgelöst wird und sich von selbst aufrollt.
Gemäß der DE 101 59 415 B4 ist die Herstellung mikro- und nanoskopischer Spulen, Transformatoren und Kondensatoren durch Einrollen oder Umklappen von Leiterschichten beim Ablösen von Hilfsschichten von einem Substrat bekannt. Dazu wird eine zuvor zwischen einer Leiterbahn und einem Substrat aufgebrachte Hilfsschicht von dem Substrat abgelöst und die Leiterbahn in Folge dessen aufgerollt.
Bekannt ist nach der DE 10 2014 223 873 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines aufgerollten Bauelementes, bei dem auf ein Substrat mit einer Opferschicht mindestens zwei abwechselnd ganz oder teilweise übereinander angeordnete Funktions- und Isolationsschichten aufgebracht werden. Die Funktions- oder Isolationsschicht, die direkt auf der Opferschicht angeordnet ist, weist an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung auf. Durch dieses Verfahren ist ein verbessertes Aufrollen des Schichtstapels möglich.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik ist immer noch, dass ein gerades Aufrollen der Schichtstapel über lange Distanzen nicht ausreichend reproduzierbar gewährleistet werden kann und dadurch die nutzbare Aufrolllänge begrenzt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe kompakter Kondensatoren, die bei gleichen Aufrolllängen im Wesentlichen gleiche physikalische Eigenschaften und geometrische Abmessungen nach dem Aufrollen aufweisen, welche durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren zur Herstellung derartiger kompakter Kondensatoren herstellbar sind.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst durch kompakte Kondensatoren, bestehend aus jeweils mindestens einem aufgerollten Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien,
wobei mindestens zwei aufgerollte Schichtstapel stirnseitig nebeneinander angeordnet sind, und

- mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind,
- wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht,

- mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind,
- - wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht,
und
- mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und/oder der weiteren Schicht nicht behindert und/oder selbst aufrollbar ist, am Anfang in Aufrollrichtung mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden ist und auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln oder auf oder unter der weiteren Schicht angeordnet ist, und

Vorteilhafterweise sind bei den kompakten Kondensatoren fünf bis 5000 aufgerollte kompakte Kondensatoren nebeneinander angeordnet, die durch die vollflächige oder teilflächige weitere Schicht und/oder das Bauelement nebeneinander angeordnet und stofflich über diese weitere Schicht oder das Bauelement miteinander verbunden sind, und die stofflich voneinander trennbar sind.
Ebenfalls vorteilhafterweise bestehen bei den kompakten Kondensatoren die mindestens eine weitere Schicht und/oder das Bauelement aus einem nichtelektrisch leitenden Material.
Auch vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren als elektrisch leitfähiges Material Kupfer oder Nickel oder Chrom vorhanden.
Vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren als elektrisch isolierendes Material Al₂O₃ oder TiO₂ oder Si₂N₃ vorhanden.
Weiter vorteilhafterweise weist bei den kompakten Kondensatoren das Material der weiteren Schicht und des strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmigen Bauelementes jeweils eine höhere mechanische Zähigkeit und/oder höhere Reißfestigkeit und/oder höhere Elastizität als das Material mindestens der äußersten Schicht der aufgerollten kompakten Kondensatoren auf.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren als weitere Schicht und/oder als strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, eine Schicht und/oder ein Bauelement mindestens teilweise aus einem keramischen Material und/oder mindestens teilweise aus einem Polymermaterial und/oder mindestens teilweise aus einem glasartigen Material und/oder mindestens aus einem magnetischen Material vorhanden.
Und auch vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren die weitere Schicht als Zwischenschicht vollflächig zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet, und geht die in ihren Abmessungen mindestens über die maximale Länge der nichtaufgerollten Schichtstapel, mindestens aber in dem Bereich des Anfanges des Aufrollens, und über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinaus.
Vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren die weitere Schicht als Zwischenschicht teilflächig und am Anfang in Aufrollrichtung zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet, und geht mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinaus.
Weiter vorteilhafterweise ist bei den kompakten Kondensatoren das mindestens eine strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmige Bauelement am Anfang in Aufrollrichtung zwischen oder auf den Schichten der Schichtstapel angeordnet, und geht mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinaus.
Auch können bei den kompakten Kondensatoren mindestens zwei aufgerollte kompakte Kondensatoren, die durch die vollflächige oder teilflächige weitere Schicht und/oder das Bauelement nebeneinander angeordnet und stofflich über diese weitere Schichten und/oder das Bauelement miteinander verbunden sind, durch stoffliche Trennung der weiteren Schicht und/oder des strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmigen Bauelementes zwischen den aufgerollten Schichtstapeln voneinander separiert, vereinzelt und jeweils an den beiden Stirnseiten kontaktiert sein.
Ebenfalls vorteilhafterweise weist bei den kompakten Kondensatoren mindestens die weitere Schicht an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung auf.
Und auch vorteilhafterweise besteht bei den kompakten Kondensatoren die weitere Schicht aus mindestens zwei übereinanderliegenden Polymerschichten.
Vorteilhafterweise ist auch bei den kompakten Kondensatoren auf oder zwischen den Schichten eines oder mehrerer oder aller Schichtstapel mindestens eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material vorhanden.
Die Erfindung wird auch vorteilhaft gelöst durch kompakte Kondensatoren, bei denen in einem oder mehreren Schichtstapeln

- das Material mindestens einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material ist und der Schichtstapel eine Dicke von ≤ 1 µm aufweist, oder
- das Material mindestens einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material ist und das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist oder
- das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist.

Ebenfalls vorteilhafterweise sind bei den kompakten Kondensatoren bei den Schichtstapeln jeweils mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite mit mindestens 5 % ihrer Gesamtbreite über die Breite des aufgerollten Schichtstapels hinausreichend angeordnet, und sind auf jeder Seite des aufgerollten Kondensators die spiralförmig aufgewickelten überstehenden Schichten aus dem elektrisch leitfähigen Material miteinander zu elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden verbindbar und jeweils an den beiden Stirnseiten kontaktiert.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von kompakten Kondensatoren, bei dem auf einem Substrat und/oder einer Opferschicht mindestens zwei Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien nebeneinander angeordnet werden,
wobei vor und/oder während und/oder nach dem Aufbringen der Schichtstapel

- mindestens eine weitere Schicht mindestens teilflächig und zusammenhängend in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den Schichtstapeln aufgebracht wird,
- - wobei die mindestens eine weitere Schicht mit Abmessungen aufgebracht wird, die mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entsprechen,
oder
- mindestens eine weitere Schicht mindestens teilflächig und zusammenhängend in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den Schichtstapeln aufgebracht wird,
- - wobei die mindestens eine weitere Schicht mit Abmessungen aufgebracht wird, die mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entsprechen,
und
- mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und der weiteren Schicht nicht behindert, am Anfang in Aufrollrichtung in oder auf den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht aufgebracht und mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden wird,

Vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren die mindestens zwei oder mehreren stirnseitig nebeneinander angeordneten aufgerollten kompakten Kondensatoren stofflich voneinander getrennt voneinander separiert, vereinzelt und jeweils an den beiden Stirnseiten kontaktiert.
Auch vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren auf das Substrat eine Opferschicht aufgebracht und nachfolgend die Schichtstapel und die weitere Schicht auf die Opferschicht angeordnet und zum Aufrollen die Opferschicht mindestens teilweise entfernt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren im Falle, dass keine Opferschicht aufgebracht ist, mindestens eine Schicht in einem Verspannungszustand aufgebracht, wobei zum Aufrollen dann der Verspannungszustand gelöst wird oder eine Schicht aufgebracht und zum Aufrollen eine Verspannung erzeugt wird.
Weiter vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren im Falle des Vorhandenseins von Schichten oder Schichtanteilen oder Stäbchen aus einem magnetischen Material während des Aufrollens ein externes Magnetfeld angelegt, bei dem die auf die noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetischen Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zur Rollrichtung der Schichtstapel ausgerichtet sind.
Und auch vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren direkt auf der Opferschicht Schichten aufgebracht, die an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung aufweisen.
Vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren auf eine oder mehrere Schichten zweidimensionale Materialien aufgebracht.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, kompakte Kondensatoren anzugeben, die bei gleichen Aufrolllängen im Wesentlichen gleiche physikalische Eigenschaften und geometrische Abmessungen nach dem Aufrollen aufweisen, welche durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren zur Herstellung derartiger kompakter Kondensatoren herstellbar sind.
Erreicht wird dies durch kompakte Kondensatoren, die aus jeweils mindestens einem aufgerollten Schichtstapel aus mindestens abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien, aufgebaut sind.
Dies entspricht dem bekannten Aufbau mittels Roll-up-Technologie hergestellter Kondensatoren. Die Zusammensetzung der Schichten und die Anzahl der Windungen können dabei ebenso variieren, wie die physikalischen Eigenschaften der aufgerollten Kondensatoren.
Die weitere Schicht ist mindestens teilflächig vorhanden, kann aber auch vollflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet werden.
Von den hinsichtlich ihrem Aufbau und Funktionsweise an sich bekannten aufgerollten kompakten Kondensatoren sind erfindungsgemäß mindestens zwei, vorteilhafterweise fünf bis 5000 als aufgerollte Schichtstapel nebeneinander angeordnet.
Die aufgerollten kompakten Kondensatoren sind nach dem Aufrollen stofflich über die mindestens eine weitere Schicht oder die mindestens eine weitere Schicht und das Bauelement miteinander verbunden und sind stofflich voneinander trennbar.
Dabei sind erfindungsgemäß mindestens zwei aufgerollte Schichtstapel stirnseitig nebeneinander angeordnet.
Weiter erfindungsgemäß ist mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung
auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind.
Dabei ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, dass mindestens eine weitere Schicht vorhanden ist, die in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht.
Neben dieser erfindungsgemäßen Lösung, dem Vorhandensein mindestens einer weiteren Schicht, kann getrennt oder gleichzeitig zu der mindestens einen weiteren Schicht auch ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement vorhanden sein, welches das Aufrollen des Schichtstapels und/oder der weiteren Schicht nicht behindert und/oder selbst aufrollbar ist. Dieses Bauelement ist am Anfang in Aufrollrichtung mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden und auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln oder der weiteren Schicht angeordnet.
Durch diese weitere Schicht und/oder das strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmige Bauelement sind die stirnseitig nebeneinander angeordneten kompakten Kondensatoren nach dem Aufrollen noch stofflich miteinander verbunden, sind aber trennbar angeordnet, können also durch Trennen der Schicht oder des Bauelements vereinzelt werden.
Dabei ist es erfindungsgemäß notwendig, dass das Material der weiteren Schicht und des strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmigen Bauelementes während des Aufrollvorganges weder einreißt noch ungleichmäßig aufrollt. Vorteilhafterweise werden deshalb Materialien für die weitere Schicht oder das Bauelement eingesetzt, die jeweils eine höhere mechanische Zähigkeit und/oder höhere Reißfestigkeit und/oder höhere Elastizität als das Material mindestens der äußersten Schicht der aufgerollten kompakten Kondensatoren aufweist.
Als elektrisch leitfähiges Material kann Kupfer oder Nickel oder Chrom vorhanden sein.
Als elektrisch isolierendes Material kann Al₂O₃ oder TiO₂ oder Si₂N₃ vorhanden sein.
Als weitere Schicht und/oder als strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement können eine Schicht und/oder ein Bauelement aus einem nichtelektrisch leitenden Material, wie keramischen Material und/oder aus einem Polymermaterial und/oder einem glasartigen Material und/oder einem magnetischen Material vorhanden sein.
Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass die weitere Schicht als Zwischenschicht vollflächig zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet ist, und die in ihren Abmessungen mindestens über die maximale Länge der nichtaufgerollten Schichtstapel, mindestens aber in dem Bereich des Anfanges des Aufrollens, und über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Eine weitere besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass die weitere Schicht als Zwischenschicht teilflächig und am Anfang in Aufrollrichtung zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet ist, und mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Und ebenfalls eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass mindestens eine strang-, rohr-, stäbchen- und/oder bandförmige Bauelement am Anfang in Aufrollrichtung zwischen oder auf den Schichten der Schichtstapel angeordnet ist, und mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung können sein, dass die mindestens eine weitere Schicht an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung aufweist.
Ebenfalls kann die weitere Schicht aus mindestens zwei übereinanderliegenden Polymerschichten bestehen.
Auch ist es vorteilhafterweise möglich, dass auf oder zwischen den Schichten eines oder mehrere oder aller Schichtstapel mindestens eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material vorhanden ist.
Weiterhin können bei den erfindungsgemäßen kompakten Kondensatoren in einem oder mehreren Schichtstapeln

- das Material mindestens einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material sein und der Schichtstapel kann eine Dicke von ≤ 1 µm aufweisen, oder
- das Material mindestens einer Schicht kann aus dem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material sein und das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, kann mindestens teilweise ein magnetisches Material sein oder
- das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, kann mindestens teilweise ein magnetisches Material sein.

Ebenso vorteilhaft kann es erfindungsgemäß sein, dass bei den Schichtstapeln jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite mit mindestens 5 % ihrer Gesamtbreite über die Breite des aufgerollten Schichtstapels hinausreichend angeordnet sind, und auf jeder Seite des aufgerollten Kondensators die spiralförmig aufgewickelten überstehenden Schichten aus dem elektrisch leitfähigen Material miteinander zu elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden verbindbar sind.
Erfindungsgemäß hergestellt werden kompakte Kondensatoren, insbesondere auch solche erfindungsgemäßen kompakten Kondensatoren, indem auf einem Substrat und/oder einer Opferschicht mindestens zwei Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien nebeneinander angeordnet werden.
Dabei wird erfindungsgemäß vor und/oder während und/oder nach dem Aufbringen der Schichtstapel mindestens eine weitere Schicht mindestens teilflächig und zusammenhängend in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den Schichtstapeln aufgebracht.
Die mindestens eine weitere Schicht wird dabei mit Abmessungen aufgebracht, die mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entsprechen.
Es ist aber auch möglich, dass entweder allein oder gemeinsam mit mindestens einer weiteren Schicht mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und/oder der weiteren Schicht nicht behindert und/oder selbst aufrollbar ist, am Anfang in Aufrollrichtung in oder auf den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht aufgebracht und mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden wird.
Nachfolgend werden die so aufgebrachten mindestens zwei Schichtstapel in gleicher Richtung aufgerollt.
Üblicherweise und für den Fall der nachfolgenden Weiterverarbeitung werden die mindestens zwei oder mehreren stirnseitig nebeneinander angeordneten aufgerollten kompakten Kondensatoren stofflich voneinander getrennt.
Im Falle, dass der Schichtstapel auf dem Substrat eine Opferschicht aufgebracht worden ist und nachfolgend die Schichtstapel und die weitere Schicht auf die Opferschicht angeordnet worden sind, wird zum Aufrollen der Schichtstapel die Opferschicht mindestens teilweise entfernt.
Im Falle, dass auf dem Substrat keine Opferschicht aufgebracht worden ist, wird mindestens eine Schicht in einem Verspannungszustand aufgebracht, wobei zum Aufrollen dann der Verspannungszustand gelöst wird oder eine Schicht wird aufgebracht und zum Aufrollen wird eine Verspannung in der Schicht erzeugt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Falle des Vorhandenseins von Schichten oder Schichtanteilen aus einem magnetischen Material während des Aufrollens ein externes Magnetfeld angelegt wird, bei dem die auf die noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetischen Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zur Rollrichtung der Schichtstapel ausgerichtet sind.
Auch vorteilhaft ist es, wenn direkt auf der Opferschicht Schichten aufgebracht werden, die an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung aufweisen.
Ebenso kann vorteilhafterweise auf eine oder mehrere Schichten zweidimensionale Materialien aufgebracht werden.
Auf diese Art und Weise können einfach und kostengünstig eine Vielzahl kompakter Kondensatoren in Massenproduktion mit gleichen Aufrolllängen und im Wesentlichen gleiche physikalische Eigenschaften und geometrische Abmessungen durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren hergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Auf einem Substrat aus Silizium wird eine Opferschicht aus einem Polymer aufgebracht, gefolgt von einer Hydrogelschicht und einer zweiten Polymerschicht, die zusammen die weitere Schicht darstellen. Die aufgetragenen Schichten sind rechteckförmig und haben eine Breite von 1 cm und eine Länge von 0,5 cm. Die drei Schichten überlagern sich vollflächig. Anschließend werden auf der Polymeroberfläche durch etablierte Lithografie-, Ätz- und Abscheideverfahren 35 Schichtstapel in Streifenform mit jeweils Breiten von 0,2 mm und Längen von 0,49 cm auf die Polymerschicht aufgebracht. Die Schichtstapel sind parallel zueinander ausgerichtet und haben einen Abstand von 0,05 mm zueinander. Sämtliche Schichtstapel bestehen aus einer 15 nm dicken Kupferschicht auf der Polymerschicht gefolgt von einer 14 nm dicken Al₂O₃-Schicht gefolgt von einer 15 nm dicken Kupferschicht gefolgt von einer 14 nm dicken Al₂O₃-Schicht. Die Metallschichten werden mittels thermischen Verdampfens und die Al₂O₃-Schichten mittels Atomlagenabscheidung aufgetragen. Die Kupferschichten sind die Schichten aus elektrisch leitfähigem Material und die Al₂O₃-Schichten sind die Schichten aus elektrisch isolierendem Material. Die so erzeugten Schichtstapel stellen jeweils eine planare Kondensatorstruktur dar. Anschließend wird das Si-Substrat samt der aufgetragenen Polymerschichten und Schichtstapel in Wasser gelegt. Dies bewirkt, dass sich die Opferschicht auflöst, die Hydrogelschicht aufquillt und sich die Hydrogelschicht und die Polymerschicht zusammen mit den Schichtstapeln aufgrund der erzeugten Verspannung in den Schichten und der Seitenlängenverhältnisse der Polymerschichten beginnend an der 1 cm langen Seite auf dem Si Substrat von selbst aufrollen. Durch diesen Prozess sind 35 durch zwei Polymerschichten verbundene nebeneinanderliegende aufgerollte kompakte Kondensatoren mit jeweils einer Kapazität von 4nF entstanden.
Anschließend werden die Kondensatoren vereinzelt, an den Stirnseiten seitlich kontaktiert und verpackt.
Damit konnten gleichzeitig 35 aufgerollte kompakte Kondensatoren mit gleichen Aufrolllängen und aufgrund des gleichen Schichtaufbaus mit gleichen physikalischen Eigenschaften und geometrischen Abmessungen durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren hergestellt werden.
Beispiel 2
Auf einem Substrat aus Silizium wird eine Opferschicht aus einem Polymer aufgebracht. Die Opferschicht ist rechteckförmig und hat eine Breite von 1 cm und eine Länge von 0,5 cm. Auf die Opferschicht werden eine Hydrogelschicht und eine weitere elektrisch nichtleitende Polymerschicht aus Polyimid aufgetragen. Beide Schichten sind rechteckförmig und haben eine Breite von 1 cm und eine Länge von 0,2 mm. Die beiden letzteren Schichten werden so auf der Oberfläche positioniert, dass sie mit der ersten Polymerschicht an der Seite, die 1 cm breit ist, exakt abschließen. Anschließend wird eine rechteckförmige 9 nm dicke Al₂O₃-Schicht mit einer Breite von 1 cm und einer Länge von 0,5 cm, ganzflächig abschließend mit der Opferschicht abgeschieden. Anschließend werden auf der Al₂O₃-Oberfläche durch etablierte Lithografie-, Ätz- und Abscheideverfahren 35 Schichtstapel in Streifenform mit jeweils Breiten von 0,2 mm und Längen von 0,49 cm aufgebracht. Die Schichtstapel sind parallel zueinander ausgerichtet und haben einen Abstand von 0,05 mm zueinander. Die Seiten der Schichtstapel, die jeweils 0,2 mm breit sind, haben einen Abstand zu der Seite der Polymerschichten, die 1 cm breit ist, von 0,1 mm. Sämtliche Schichtstapel bestehen aus einer 10 nm dicken Nickelschicht gefolgt von einer 15 nm dicken Chromschicht gefolgt von einer 14 nm dicken Al₂O₃-Schicht gefolgt von einer 25 nm dicken Kupferschicht gefolgt von einer 5 nm dicken Al₂O_3-Schicht. Die Metallschichten werden mittels thermischen Verdampfens und die Al₂O₃-Schichten mittels Atomlagenabscheidung aufgetragen. Die so erzeugten Schichtstapel stellen jeweils eine planare Kondensatorstruktur dar.
Anschließend wird das Si-Substrat samt der aufgetragenen Polymerschichten und Schichtstapel in Wasser gelegt. Dies bewirkt, dass sich die Opferschicht auflöst, die Hydrogelschicht aufquillt und sich die Polymerschichten zusammen mit der ersten Al₂O₃-Schicht aufgrund der erzeugten Verspannung in den Polymerschichten und der ersten Al₂O₃-Schicht und der Seitenlängenverhältnisse der Polymerschichten beginnend an der 1 cm langen Seite auf dem Si-Substrat über die ersten 0,1 mm von selbst aufrollen.
Anschließend setzt sich der Aufrollprozess fort und die Polymerschichten rollen zusammen mit der ersten Al₂O₃-Schicht und den Schichtstapeln über die nächsten 0,1 mm zusammen auf. Der restliche Aufrollprozess beinhaltet nur noch die erste Al₂O-Schicht und die Schichtstapel, deren eingebaute Verspannung durch die Auflösung der Opferschicht den Aufrollprozess treibt. Der Aufrollprozess wird einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt, das senkrecht zur Aufrollrichtung und in der Ebene der Substratoberfläche ausgerichtet ist. Weil ein Teil des Schichtstapels aus magnetischem Material besteht, bewirkt das Magnetfeld, dass die Schichtstapel in einer vorgegebenen Richtung und exakt gerade aufrollen. Durch diesen Prozess sind 35 durch zwei Polymerschichten und die erste Al₂O₃-Schicht verbundene nebeneinanderliegende kompakt aufgerollte Kondensatoren mit jeweils einer Kapazität von 8 nF entstanden. Anschließend werden die Kondensatoren vereinzelt, an den Stirnseiten seitlich kontaktiert und verpackt.
Damit konnten gleichzeitig 35 aufgerollte kompakte Kondensatoren mit gleichen Aufrolllängen und aufgrund des gleichen Schichtaufbaus mit gleichen physikalischen Eigenschaften und geometrische Abmessungen durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren hergestellt werden.
Beispiel 3
Auf einem Substrat aus Silizium wird eine Opferschicht aus einem Polymer aufgebracht. Die Opferschicht ist rechteckförmig und hat eine Breite von 1 cm und eine Länge von 0,5 cm.
Auf die Opferschicht wird eine rechteckförmige 9 nm dicke Al₂O₃-Schicht mit einer Breite von 1 cm und einer Länge von 0,5 cm ganzflächig mit der Opferschicht abschließend abgeschieden Anschließend werden auf der Al₂O₃-Oberfläche durch etablierte Lithografie-, Ätz- und Abscheideverfahren 35 Schichtstapel in Streifenform mit jeweils Breiten von 0,2 mm und Längen von 0,49 cm aufgebracht. Die Schichtstapel sind parallel zueinander und parallel zu den Seiten der Opferschicht ausgerichtet und haben einen Abstand von 0,05 mm zueinander. Sämtliche Schichtstapel bestehen aus einer 10 nm dicken Kupferschicht gefolgt von einer 15 nm dicken Chromschicht gefolgt von einer 14 nm dicken Al₂O₃-Schicht gefolgt von einer 25 nm dicken Kupferschicht gefolgt von einer 5 nm dicken Al₂O₃-Schicht. Die Metallschichten werden mittels thermischen Verdampfens und die Al₂O₃-Schichten mittels Atomlagenabscheidung aufgetragen. Die so erzeugten Schichtstapel stellen jeweils eine planare Kondensatorstruktur dar. Anschließend wird das Si-Substrat samt der aufgetragenen Schichtstapel in Wasser gelegt. Zur gleichen Zeit wir ein 1 cm langes Mikrostäbchen mit einem Durchmesser von 20 µm aus Eisen, als einem magnetischen Material, quer über sämtliche Schichtstapel gelegt. Die Position des Mikrostäbchens befindet sich nah und parallel zur 1 cm langen Seite der Opferschicht. Dies bewirkt, dass sich die Opferschicht auflöst und die verspannten Schichtstapel das magnetische Mikrostäbchen einrollen. Der Aufrollprozess wird einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt, das senkrecht zur Aufrollrichtung und in der Ebene der Substratoberfläche ausgerichtet ist. Weil das Mikrostäbchen aus magnetischem Material besteht, bewirkt das Magnetfeld, dass das Mikrostäbchen und damit auch die Schichtstapel in einer vorgegebenen Richtung und exakt gerade aufrollen. Durch diesen Prozess sind 35 durch das Mikrostäbchen und die erste Al₂O₃-Schicht verbundene nebeneinanderliegende, aufgerollte, kompakt Kondensatoren mit jeweils einer Kapazität von 8 nF hergestellt worden. Anschließend werden die Kondensatoren vereinzelt, an den Stirnseiten seitlich kontaktiert und verpackt.
Damit konnten gleichzeitig 35 aufgerollte kompakte Kondensatoren mit gleichen Aufrolllängen und aufgrund des gleichen Schichtaufbaus mit gleichen physikalischen Eigenschaften und geometrische Abmessungen durch ein einfaches und reproduzierbares Verfahren hergestellt werden.

Claims

Kompakte Kondensatoren, bestehend aus jeweils mindestens einem aufgerollten Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien, wobei mindestens zwei aufgerollte Schichtstapel stirnseitig nebeneinander angeordnet sind, und - mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind, - wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht, oder - mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht vorhanden ist, die mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln angeordnet ist und über die die aufgerollten Schichtstapel stofflich miteinander verbunden sind, - wobei die mindestens eine weitere Schicht in ihren Abmessungen mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entspricht, und - mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und der weiteren Schicht nicht behindert und/oder selbst aufrollbar ist, am Anfang in Aufrollrichtung mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden ist und auf oder unter oder in den aufgerollten Schichtstapeln oder auf oder unter der weiteren Schicht angeordnet ist, und wobei in allen Fällen die mindestens zwei aufgerollten kompakten Kondensatoren, die durch die mindestens teilflächige mindestens eine weitere Schicht oder eine weitere Schicht und das Bauelement nebeneinander angeordnet und stofflich über diese Schicht oder über diese Schicht und das Bauelement miteinander verbunden sind, stofflich voneinander trennbar sind.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen fünf bis 5000 aufgerollte kompakte Kondensatoren nebeneinander angeordnet sind, die durch die vollflächige oder teilflächige weitere Schicht und/oder das Bauelement nebeneinander angeordnet und stofflich über diese weitere Schicht oder das Bauelement miteinander verbunden sind, und die stofflich voneinander trennbar sind.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen die mindestens eine weitere Schicht und/oder das Bauelement aus einem nichtelektrisch leitenden Material bestehen.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen als elektrisch leitfähiges Material Kupfer oder Nickel oder Chrom vorhanden ist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen als elektrisch isolierendes Material Al₂O₃ oder TiO₂ oder Si₂N₃ vorhanden ist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen das Material der weiteren Schicht und des strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmigen Bauelementes jeweils eine höhere mechanische Zähigkeit und/oder höhere Reißfestigkeit und/oder höhere Elastizität als das Material mindestens der äußersten Schicht der aufgerollten kompakten Kondensatoren aufweist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen als weitere Schicht und/oder als strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, eine Schicht und/oder ein Bauelement mindestens teilweise aus einem keramischen Material und/oder mindestens teilweise aus einem Polymermaterial und/oder mindestens teilweise aus einem glasartigen Material und/oder mindestens aus einem magnetischen Material vorhanden ist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen die weitere Schicht als Zwischenschicht vollflächig zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet ist, und die in ihren Abmessungen mindestens über die maximale Länge der nichtaufgerollten Schichtstapel, mindestens aber in dem Bereich des Anfanges des Aufrollens, und über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen die weitere Schicht als Zwischenschicht teilflächig und am Anfang in Aufrollrichtung zwischen einem Substrat oder einer Opferschicht und den Schichtstapeln angeordnet ist, und mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen das mindestens eine strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmige Bauelement am Anfang in Aufrollrichtung zwischen oder auf den Schichten der Schichtstapel angeordnet ist, und mindestens über die maximale Breite aller nebeneinander angeordneten nichtaufgerollten Schichtstapel hinausgeht.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen mindestens die weitere Schicht an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung aufweist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen die weitere Schicht aus mindestens zwei übereinanderliegenden Polymerschichten besteht.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen auf oder zwischen den Schichten eines oder mehrerer oder aller Schichtstapel mindestens eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material vorhanden ist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen in einem oder mehreren Schichtstapeln - das Material mindestens einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material ist und der Schichtstapel eine Dicke von ≤ 1 µm aufweist, oder - das Material mindestens einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material ist und das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist oder - das Material mindestens einer Schicht, die den Schichtstapel mindestens teilweise bedeckt, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist.
Kompakte Kondensatoren nach Anspruch 1, bei denen bei den Schichtstapeln jeweils mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite mit mindestens 5 % ihrer Gesamtbreite über die Breite des aufgerollten Schichtstapels hinausreichend angeordnet sind, und auf jeder Seite des aufgerollten Kondensators die spiralförmig aufgewickelten überstehenden Schichten aus dem elektrisch leitfähigen Material miteinander zu elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden verbindbar und jeweils an den beiden Stirnseiten kontaktiert sind.
Verfahren zur Herstellung von kompakten Kondensatoren, bei dem auf einem Substrat oder einer Opferschicht mindestens zwei Schichtstapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus dielektrischen und/oder elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien nebeneinander angeordnet werden, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Aufbringen der Schichtstapel - mindestens eine weitere Schicht mindestens teilflächig und zusammenhängend in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den Schichtstapeln aufgebracht wird, - wobei die mindestens eine weitere Schicht mit Abmessungen aufgebracht wird, die mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entsprechen, oder - mindestens eine weitere zusammenhängende Schicht mindestens teilflächig in und quer zur Aufrollrichtung auf oder unter oder in den Schichtstapeln aufgebracht wird, - wobei die mindestens eine weitere Schicht mit Abmessungen aufgebracht wird, die mindestens den äußeren Abmessungen zwischen den jeweils äußersten Schichtstapeln der mit der weiteren Schicht verbundenen Schichtstapel entsprechen, und - mindestens ein strang-, stäbchen-, rohr- und/oder bandförmiges Bauelement, welches das Aufrollen des Schichtstapels und der weiteren Schicht nicht behindert, am Anfang in Aufrollrichtung in oder auf den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht aufgebracht und mindestens kraftschlüssig mit den Schichtstapeln und/oder der weiteren Schicht verbunden wird, und nachfolgend die Schichtstapel und die weitere Schicht oder die weitere Schicht und das Bauelement in gleicher Richtung aufgerollt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die mindestens zwei oder mehreren stirnseitig nebeneinander angeordneten aufgerollten kompakten Kondensatoren stofflich voneinander getrennt voneinander separiert, vereinzelt und jeweils an den beiden Stirnseiten kontaktiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem auf das Substrat eine Opferschicht aufgebracht und nachfolgend die Schichtstapel und die weitere Schicht auf die Opferschicht angeordnet und zum Aufrollen die Opferschicht mindestens teilweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem im Falle, dass keine Opferschicht aufgebracht ist, mindestens eine Schicht in einem Verspannungszustand aufgebracht wird, wobei zum Aufrollen dann der Verspannungszustand gelöst wird oder eine Schicht aufgebracht und zum Aufrollen eine Verspannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem im Falle des Vorhandenseins von Schichten oder Schichtanteilen oder Stäbchen aus einem magnetischen Material während des Aufrollens ein externes Magnetfeld angelegt wird, bei dem die auf die noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetischen Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zur Rollrichtung der Schichtstapel ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem direkt auf der Opferschicht Schichten aufgebracht werden, die an den beiden Seiten, die im Wesentlichen parallel zur Rollrichtung angeordnet sind, eine Perforierung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem auf eine oder mehrere Schichten zweidimensionale Materialien aufgebracht werden.