JP2003510809A - 固体コンデンサの製造 - Google Patents

固体コンデンサの製造

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JP2003510809A JP2001525729A JP2001525729A JP2003510809A JP 2003510809 A JP2003510809 A JP 2003510809A JP 2001525729 A JP2001525729 A JP 2001525729A JP 2001525729 A JP2001525729 A JP 2001525729A JP 2003510809 A JP2003510809 A JP 2003510809A
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ハンティントン、デイヴィッド
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Abstract

(57)【要約】 本発明は固体コンデンサの分野に関し、とりわけ、固体コンデンサを製造するための大量生産方法に関する。本発明は、プロセスを簡素化して経済的利点を提供しようとするものである。本発明の1つの態様によると、複数の固体コンデンサを製造する方法において、基板層を与える工程;前記基板層の1つの表面上に、多孔質の焼結済み弁作用材料から成る複数の直立体を形成する工程;前記直立体の上に誘電体層を形成する工程;隣接する直立体を引き離す領域に存在する前記誘電体層に、電気絶縁性のレジスト層を施す工程;前記直立体上の露出誘電体層の上と、前記直立体の間の前記レジスト層の上とにカソード層を形成する工程;各直立体の上端領域にカソード端子を施す工程;前記の処理済み基板を、多数の、個々のコンデンサ体に切り離す工程であって、各コンデンサ体が、切り離された基板を含む一方の端部におけるアノード端子部分と、該多孔質体の1つを含む1つの容量性部分と、他方の端部におけるカソード端子部分とを備えている該工程;を含む上記製法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は固体コンデンサ(solid state capacitors)の分野に関し、とりわけ、
固体コンデンサを製造するための大量生産方法に関する。
【0002】 固体タンタルコンデンサの大量生産方法は、米国特許第5,357,399号
明細書(発明者:Ian Salisbury)に記述されている。この方法には、固体タン
タルの基板ウェーハを与え;その基板上に、非常に多孔質の焼結済みタンタル層
を形成し;チャネルの直交パターン(orthogonal pattern)で、該多孔性タンタル
層を切削して、直立の直線で囲まれた複数の多孔質タンタル体を作り;それら多
孔質タンタル体をアノード酸化して、それらの上に誘電体層を形成し;それら多
孔質タンタル体を硝酸マンガン溶液の中に浸漬し、次いで、加熱して、施したそ
の溶液を二酸化マンガンに転化し、そうすることによって、カソード層を形成し
;それらチャネルに沿って切断して、隣接する多孔質タンタル体に連結している
前記二酸化マンガンを除去することによって、複数の、個々の直立体のアノード
端及びカソード端を分離し;前記の分離切断によって現われた新たな露出タンタ
ル基板の上に誘電体層を再び形成し;各直立体の頂部端の上に炭素の導電性層、
次いで、銀の導電性層を施し;前記銀導電性層の上に、固体金属のウェーハから
成る蓋を結合し;基板と蓋とによって制限される諸直立体の間のチャネルの中に
絶縁性樹脂材料を注入し;次いで、各チャネルの中心線に沿って、ウェーハの平
面に垂直な方向にその組立て体を切り取り;そうすることによって、多数のコン
デンサであって、そこでは、アノード端子が基板材料から成り、カソード材料が
蓋材料からなり、また、容量性体が、被覆された多孔質タンタル体から成る上記
コンデンサを形成する;諸工程が含まれる。
【0003】 この方法によって、体積効率の高い、非常にコンパクトで信頼性の高いコンデ
ンサが製造される。しかし、電子工業界では諸構成成分に関する途切れのない小
型化が要求されており、更に一層小さく且つ一層効率の良いコンデンサを造る必
要に迫られている。
【0004】 我々の最近のPCT公開WO 00/28559号明細書には、ソールズベリ
ー方法(Salisbury process)の修正版が記述されている。この修正版では、銀/
炭素で被覆された、多孔質コンデンサ体の頂部端の上に直接、カソード端子を形
成することによって、個々のコンデンサ体の体積効率が増大する。このやり方で
は、ソールズベリー方法で施される固体蓋層が省略されている。従って、固体蓋
層によって専有されてきた体積は、多孔質体のサイズを増大させるのに利用する
ことができる。それ故に、所定のコンデンサ体のサイズに関し、一層大きな体積
の容量性材料を備えることができる。
【0005】 これらの諸製造方法では、効率改善に対する途切れのない要求がされている。
本発明は、前述のタイプの多数のコンデンサの製法を簡素化し、そうすることに
よって、一層安価なコンデンサが得られる経済的利点を提供しようとするもので
ある。
【0006】 本発明の1つの面によると、多数の固体コンデンサの製造方法において、 − 基板層を与える工程; − 前記基板層の1つの表面上に、多孔質の焼結済み弁作用材料から成る複数の
直立体を形成する工程; − 前記直立体の上に誘電体層を形成する工程; − 隣接する直立体を引き離す領域に存在する前記誘電体層に、電気絶縁性のレ
ジスト層を施す工程; − 前記直立体上の露出誘電体層の上と、前記直立体の間の前記レジスト層の上
とにカソード層を形成する工程; − 各直立体の上端領域にカソード端子を施す工程; − 前記の処理済み基板を、複数の、個々のコンデンサ体に切り離す工程であっ
て、各コンデンサ体が、切り離された基板を含む一方の端部におけるアノード端
子部分と、該多孔質体の1つを含む1つの容量性部分と、他方の端部におけるカ
ソード端子部分とを備えている該工程; を含む上記製法が提供される。
【0007】 誘電体層を形成した後であってカソード層を形成する前に、絶縁性レジスト層
を施すことによって、各コンデンサ体のアノード部分とカソード部分との分離は
、かなり簡素化される。従来技術の分離方法には、隣接する諸コンデンサ体の間
の領域の誘電体層とカソード層の両者を通って研削し、そうすることによって、
新しい基板を露出させる工程が含まれている。従って、その新たに露出された基
板上の誘電体層は、第2の誘電体形成工程によって、作り直さなければならない
。本発明によると、単一の誘電体形成工程を行う方法が提供される。隣接する諸
コンデンサ体の間の誘電体層が、レジスト層によってマスクされるので、基板を
通して研削する必要は全くない。それ故に、分離工程は著しく簡素化され、製造
時間と製造コストとが低減される。
【0008】 本方法には、カソード層で被覆されたレジスト層の少なくとも一部分を除去す
る工程が更に含まれることがある。この除去工程は、機械的手段、化学的手段、
又は他の適切な手段による場合がある。各直立体の周りのレジスト層の一部分は
除去し、そうすることによって、各直立体の周りに、カソード層が存在しない境
界表面を形成するのが好ましい。本発明の1つの面において、レジスト層の浅い
スキミング(skim; 表面の薄層を除去すること)は、機械加工によって行う。この
スキミングは、切削ホイール又はノコギリによって行うことができる。この切削
は、レジスト層の中まで、また、先の誘電体層まで伸びるべきではない。このよ
うにして、誘電体層の無欠性が保持される。
【0009】 レジストで被覆された誘電体層がカソード層物質で汚染されるのを防止するた
めには、レジスト材料が誘電体層に十分付着し、誘電体層に密接に接触していな
ければならない。レジスト層は、永久的機構又は一時的機構として施すことがで
きる。例えば、永久的レジスト層は、本発明の方法によって製造されるコンデン
サ構造体の中に保持される。典型的なレジスト材料は、フッ素重合体及びエポキ
シ樹脂である。永久的レジスト層の更なる利点は、被包保護性材料(encapsulati
on material)に関して目立つ色又はコントラストをレジスト中に組み込むことに
よって達成することができる。このようにして、アノード端部に対応するレジス
ト層部分を示して、完成したコンデンサに、コンデンサの極性を示す配向表示を
与える。
【0010】 一時的レジスト層は、マンガン化プロセス(カソード層の形成)の前に施し、
また、被包保護(encapsulation)を行う前に取り除く。一時的レジストは、光食
刻レジスト、化学的に取り外し可能なレジスト、又は機械的に取り外し可能なレ
ジストである場合がある。
【0011】 被包保護工程において、カソード−被覆済み体と終端コンデンサ体の間は、絶
縁材料で充填する。その後、基板を切り離すとき、充填済み絶縁材料は、アノー
ド及びカソードの端末機構を露出させたまま、コンデンサの中間部分の周りに保
護性スリーブ(sleeve)を形成する。被包保護性材料は好ましくは、プラスチック
樹脂材料(とりわけ、硬化性エポキシ樹脂)である。
【0012】 被包保護工程には、予備段階であって、諸直立体の間の空間の中に、例えば粉
末熱可塑性樹脂を導入し、次いで、基板を加熱することによって溶融して、各直
立体の側面上の途中まで熱可塑性樹脂層を形成する。この部分的な予備被包保護
工程は好ましくは、主被包保護樹脂と異なる色の樹脂を用いて行い、そうするこ
とによって、完成したコンデンサ中に、視覚的に表現された極性表示を与える。
もう1つの方法として、レーザー・エッチング等の他のマーキングによって表示
することができる。
【0013】 各コンデンサ体の各々の露出したカソード表面及びアノード表面が、コンデン
サの各々の端部を1つの電気回路に、電気的に接続するのを容易にする端末材料
で液状被覆又は気相被覆される端末処理によって、諸コンデンサ体は、有用なコ
ンデンサに形成する。
【0014】 各々の端末コーティングは、例えば、工業規格の五面端末処理(five-sided te
rmination processes)に従って、コンデンサ体の各端部上にキャップを形成する
ことができる。
【0015】 幾つかの好ましい態様において、弁作用材料はタンタルである。しかし、本発
明の方法では、他の諸弁作用材料を使用することができる。これら弁作用材料は
金属でも非金属でもよく、それらの本質的特性は、コンデンサ形成能力である。
適切な金属の例は、ニオブ、モリブデン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム
、及びそれらの合金である。好ましい例は、ニオブ及びタンタルである。
【0016】 弁作用金属がタンタルである場合、基板は好ましくは、固体タンタル・ウェー
ハであり、そうすることによって、多孔質金属との物理的及び化学的な相溶性(c
ompatibility)が確保される。
【0017】 まっすぐに立ったアノード体は、弁作用材料粉末の層を基板の上へ押しつけ、
次いで、粉末粒子を溶融させるために燒結する諸工程を含む方法によって形成す
ることができる。典型的には、基板上に微細粉末を押しつける前に、基板に粗粒
度粉末の種層(seeding layer)を施し、次いで、それらを燒結しなければならな
いことがある。粗粒度粉末は、機械的定着を与えて、実質的に多孔質の層と基板
の間に強い結合を確実に生じさせる。強い結合は、製造方法における後続の諸工
程の間に、基板から多孔質層が分離するのを確実に防ぐのに必要である。そうす
ることによって作られる、多孔質の弁作用金属の密着層は、機械加工するか又は
別の方法で処理加工して、複数の、個々のアノード体を造る。これらのアノード
体は、基板上に形成された焼結済み多孔質層を機械加工することによって形成す
ることができる。その機械加工は、直線で囲まれた物体を形成するための直交ノ
コギリ(orthogonal sawing)による場合がある。他の物体形成方法[例えば、我
々の同時係属出願第9918852.6号明細書に記述される、複数の個々の物
体の組み合わせ加圧及びキャスティング法(combined pressing and casting)]
を使用することができる。
【0018】 誘電体層は、電解アノード酸化法によって形成することができる。この電解ア
ノード酸化法では、焼結済み多孔質アノード体の表面に、酸化膜が徐々に形成さ
れる。
【0019】 硝酸マンガン等のカソード層前駆体溶液の中にそれらアノード体を浸漬し、次
いで、加熱して二酸化マンガンのカソード層を生成することによって、カソード
層を形成することができる。カソード層の所要深さと無欠性とを徐々に作り上げ
るために、浸漬工程と加熱工程とを繰り返し実施することがある。
【0020】 カソード層を施すことによって、アノード体は、弁作用性粉末;弁作用性酸化
物の絶縁性誘電体層;及び、ドープト酸化物の導電性カソード層;の相互連結マ
トリックス(interconnected matrix)から成るアノード部分を備えた容量性体(ca
pacitive body)になる。
【0021】 本発明の更なる面によると、前述のあらゆる方法によって製造されるコンデン
サが提供される。
【0022】 本発明のもう1つの面によると、前述のあらゆる方法によって製造されるコン
デンサを備えた電子素子又は電気素子が提供される。
【0023】 下記は、唯一の実例を通し、本発明を実施する1つの方法に関する諸図面を参
照しながら説明するものである。
【0024】 図1の10として、固体タンタルの円形ウェーハの横断面を示す。ウェーハの
上部表面の上に、粗粒にしたコンデンサ等級のタンタル粉末12の分散体を燒結
させる。その時、細粒のコンデンサ等級のタンタル粉末のグリーンの(即ち、未
焼結の)混合物は、基板の上部表面の上へ押し上げられて、未焼結層13を形成
する。
【0025】 未焼結層は燒結されると、その細粒粉末が融合し、一体の多孔質ネットワーク
となる。焼結工程は、約1600oCで行う(最適温度は、粒径と焼結工程の時
間とに依って決まる)。また、焼結工程によって、多孔質層は、粗い種層(seedi
ng layer)12へ融合して一体となる。
【0026】 次いで、その基板組立て品を機械加工し、図2に示すような、横チャネル14
及び縦チャネル15から成る直交格子(orthogonal grid)を造る。それらチャネ
ルは、可動性回転式の切削ホイール(cutting wheel)を用いて研磨する。それら
チャネルは、多孔質タンタル層のレベルをわずかに越える深さまで切削し、図3
に示すように、それら切り口が基板に突き当たるようにする。
【0027】 機械加工処理によって、直交セクション体(orthogonal section bodies)16
の配列(array)を造る。これら多孔質体は、コンデンサのアノード部分を形成す
る。絶縁性誘電体層(図示せず)は、電解浴(例えば、0.1%リン酸溶液の電
解浴)でアノード酸化を行い且つ直流電源の正端子を基板に接続することによっ
て、アノード体に施す。これによって、露出基板及びアノード体の弁作用性(val
ve acting)多孔質表面の上に、五酸化タンタルの薄層が形成されることとなる。
【0028】 次いで、耐熱性電気絶縁材料のレジスト層30を、チャネル(14及び15)
に沿って施す。このレジスト層は、直立体16を取り囲み、また、基板の露出表
面上に形成されたタンタル酸化物の基層をマスクする。また、アノード体の下部
露出表面31も、レジスト層の厚さだけマスクされる。
【0029】 レジスト材料を高温で硬化させる必要がある場合、又は、堆積工程若しくは硬
化工程によって、コンデンサの外表面に何らかの応力が加わる場合、カソード層
を施す前に、アノード酸化工程を繰り返す必要があるかも知れない。
【0030】 次いで、周知のマンガン化プロセス(manganisation process)により、アノー
ド体上に、カソード層(図示せず)を形成する。このプロセスにおいて、アノー
ド酸化済みアノード体16は硝酸マンガン溶液に浸漬し、各アノード体の上に湿
潤溶液(wet solution)のコーティングを置き去りにし、それの内部多孔性を保護
する。基板は、湿潤空気中で加熱して、硝酸塩のコーティングを二酸化物に転化
する。浸漬と加熱のサイクルは、20回以上も繰り返して、所要の密着カソード
(coherent cathode)を徐々に作り上げる。絶縁性レジスト層の厚さによって、基
板(これは、最終コンデンサのアノード端子となる)と、電気的にカソード端子
に接続されるカソード層の間に絶縁分離が与えられる。マンガン化(カソード層
の堆積)プロセスの間、及び/又は、炭素/銀カソード端末プロセスの間、レジ
スト層は導電性材料で部分的に被覆される場合があり、これは、潜在的漏電電流
の通路となる。この問題を避けるために、レジスト材料は、カソード層物質又は
端末材料(例えば、炭素及び銀ペースト)に関し、エネルギー的且つ化学的に非
相溶性(incompatible)であることが好ましい。エネルギー的且つ化学的に非相溶
性とは、レジスト層が、カソード層又は端末層の液状材料に関して実質的に非湿
潤性であり、且つ、化学的に不活性であることを意味する。しかし、望ましくな
い汚染が避けられない場合、更なるプロセス段階によって、漂遊物質を除去する
ことができる。半永久的レジスト材料の場合、これは、化学的エッチング若しく
は溶解;機械的研磨若しくはダイシング;又は、局部的加熱(例えば、レーザに
よるもの);によって除去することができる。一時的材料に関し、レジスト層は
、その材料のための通常の除去方法によって適切に、選択的に除去することがで
きる。従って、本発明の実例では、レジスト材料の薄層、及び被覆されたあらゆ
る導電性材料は、各チャネルの中心線に沿って作った浅い切削部32によって除
去して、レジスト材料の狭いチャネルとカソード材料の被覆済み層とを除去する
【0031】 マンガン化が一旦終了すれば、マンガン化された物体の上部端領域は、液状炭
素ペースト(liquid carbon paste)の浴の中に浸漬することによって、導電性炭
素の中間層27で被覆する。炭素層が固まった後、炭素被覆済み物体を液状銀ペ
ーストの中に浸漬することによって、更なる銀の中間層21をその炭素層の上に
被覆する。銀が非相溶性酸化物層と直接接触するのを確実に防止するために、そ
の銀層が炭素層27を通り越さないようにする。次いで、銀層21を固体化させ
る。
【0032】 図5に示すように、諸コンデンサ体の間のチャネル(14,15)に、液状エ
ポキシ樹脂20を充填する。この樹脂によって、各コンデンサ体の側面は、各コ
ンデンサ体の頂部端の真下のレベルまで取り囲まれる。それらチャネルは、その
樹脂を注入することによって充填され、そうすることによって、それらチャネル
によって定義される空間は完全に確実に充填される。その組立て体全体の頂部表
面は、更なる銀ペースト層22で被覆する。平面仕上げを確実に作るために、そ
の銀層に仮の固体蓋プレート(図示せず)を当てることができる。また、その蓋
は、樹脂を注入する間に構造を制約するのに使用することもできる。
【0033】 この時点で、ウェーハは、各チャネル(14,15)の中心線(図5で点線と
して示される)に沿って切り取り、各コンデンサ体をその隣接の諸コンデンサ体
から切り離すことができる。
【0034】 各コンデンサは、基板材料から成るアノード端子部分23から成る。エポキシ
樹脂の側壁(24,25)の中に収められたコンデンサ体16は、基板からまっ
すぐに立っている。各コンデンサの頂部端領域は、炭素ペーストの層27;銀ペ
ーストの層21;及びその素子のカソード端末部分を成す追加の銀ペースト層2
2;で覆われている。各コンデンサ体16の最下部の周りには、レジスト層30
がある。基板の上部表面41の誘電体層と、コンデンサ体16の下部側壁領域と
の上に被覆されている。二酸化マンガンのカソード層は、層42として示す。こ
の層は、コンデンサ体の頂部表面の実質的に全体にまで延びている。カソード層
は、内部境界部分43にも及んでいる。狭い切削部32は、レジスト層に1つの
段(step)を形成する。この段にはカソード層が存在せず、封入材料(24,25
)と密接に結合している。レジスト層の厚さによって、カソード層(42,43
)とアノード端子23の間の隔離・分離が与えられる。
【0035】 最終処理段階は、五つの面を持つ端末の処理である。これは電子工業界では周
知のプロセスであって、コンデンサの外部端末を形成する端部キャップ(28,
29)の形成が含まれる。端末層金属は、銀、ニッケル及びスズの別々の層から
成る(好ましくはその順番で)場合がある。これらは、電気回路又は電子回路の
コンタクト(contacts; 接触子)若しくは他の諸素子にコンデンサ端末をはんだ付
けすることにより、電気的接続を形成するのに適した金属である。
【0036】 本発明は、従来知られていた諸プロセスをエレガントに適応させたものであっ
て、これによって、製法が著しく簡素化される。2番目に時間のかかる、誘導体
層を形成する段階の必要性が削除され;そのプロセスの効率が著しく改善され;
コストが低減され;信頼性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の1つの態様に従って加工処理している間の断面図である。
【図2】 加工処理における機械加工工程の後の基板の上方からの図である。
【図3】 本発明の1つの態様に従って加工処理している間の断面図である。
【図4】 本発明の1つの態様に従って加工処理している間の断面図である。
【図5】 本発明の1つの態様に従って加工処理している間の断面図である。
【図6】 本発明の方法に従って製造したコンデンサの一方の側面からの断面図を示す。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成13年11月2日(2001.11.2)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多数の固体コンデンサを製造する方法において、 − 基板層を与える工程; − 前記基板層の1つの表面上に、多孔質の焼結済み弁作用材料から成る複数の
    直立体を形成する工程; − 前記直立体の上に誘電体層を形成する工程; − 隣接する直立体を引き離す領域に存在する前記誘電体層に、電気絶縁性のレ
    ジスト層を施す工程; − 前記直立体上の露出誘電体層の上と、前記直立体の間の前記レジスト層の上
    とにカソード層を形成する工程; − 各直立体の上端領域にカソード端子を施す工程; − 前記の処理済み基板を、複数の、個々のコンデンサ体に切り離す工程であっ
    て、各コンデンサ体が、切り離された基板を含む一方の端部におけるアノード端
    子部分と、該多孔質体の1つを含む1つの容量性部分と、他方の端部におけるカ
    ソード端子部分とを備えている該工程; を含む上記製法。
  2. 【請求項2】 カソード層を形成した後、コンデンサ体の側壁は、保護性絶
    縁材料で被包保護する、請求項1記載の製法。
  3. 【請求項3】 カソード層で被覆されたレジスト層の少なくとも一部は、該
    カソード層を施した後に除去する、請求項1又は2に記載の製法。
  4. 【請求項4】 各直立体の周りのレジスト層の一部は除去し、そうすること
    によって、各直立体の周りに、カソード層材料が存在しない境界表面を形成する
    、請求項3記載の製法。
  5. 【請求項5】 レジスト層は、コンデンサ構造体の中に保持し、そうするこ
    とによって、コンデンサ被包保護性層の一部を形成する、請求項2記載の製法。
  6. 【請求項6】 レジスト層は、着色するか又は被包保護性材料に関して対照
    的な色にし、そうすることによって、アノード端部に対応するレジスト層部分を
    示して、完成したコンデンサに、コンデンサの極性を示す配向性表示を与える、
    請求項5記載の製法。
  7. 【請求項7】 基板材料が、熱的及び電気的に弁作用材料と相溶性である、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の製法。
  8. 【請求項8】 弁作用材料がタンタルであり、基板材料が固体タンタルであ
    る、請求項7記載の製法。
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