JP2004095794A

JP2004095794A - コンデンサ、複合回路基板及びコンデンサの製造方法

Info

Publication number: JP2004095794A
Application number: JP2002254027A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Ito; 伊藤　朋和; Masakatsu Kiyohara; 清原　正勝; Hironori Hatono; 鳩野　広典; Yuji Aso; 麻生　雄二
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】耐電圧性などの特性に優れ且つ簡単に製造できるコンデンサを提供する。
【解決手段】ガラス繊維含有エポキシ樹脂基板２０１上に厚さ３５ミクロンの銅箔を付着し、エッチング処理によって下部電極２０２、下部電極用ランド２０２ａ、下部電極２０２とランド２０２ａとの接続部２０２ｂおよび上部電極用ランド２０７を形成した。次いで下部電極２０２上にエアロゾルデポジション法によってチタン酸バリウム誘電体層２０３を形成し、更にチタン酸バリウム誘電体層２０３の周囲に絶縁層２１０を形成し、この後、誘電体層２０３の上部に上部電極２０４を形成した。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に組み込まれるコンデンサとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の回路にはＩＣなどとともに多くのコンデンサが搭載されている。そして電子機器の小型化を達成すべくコンデンサも数百μｍ以下の厚さのものが要求され、これに応えるべく従来からフィルム状のコンデンサが特開２０００−３５７６３１号公報および特開２００１−１３５１４３号公報に提案されている。
【０００３】
特開２０００−３５７６３１号公報には、フレキシブルな基板表面に、マグネトロンスパッタ、真空蒸着、ＣＶＤあるいはゾル−ゲル法にて金属酸化物接着膜を形成し、この金属酸化物接着膜の上に同様の方法で下部電極膜、誘電体層および上部電極膜を積層する内容が開示されている。
【０００４】
また、特開２００１−１３５１４３号公報には、硼珪酸ガラスからなる基体の表面に、ＤＣスパッタリングにより下部電極を形成し、この下部電極の上に基体の温度を２００℃に維持した状態で、ＲＦマグネトロンスパッタリングにて厚さ３００ｎｍの誘電体膜（ＳｒＴｉＯ_３）を形成し、この誘電体膜の上にＤＣマグネトロンスパッタリングにより上部電極を形成する内容が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のコンデンサは、誘電体層をＲＦマグネトロンスパッタリングにて形成するようにしているが、これらの方法では膜形成速度が１０ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、３００ｎｍ厚の誘電体層を得るのに３０分もかかってしまう。
また、スパッタリング法、真空蒸着、ＣＶＤあるいはゾル−ゲル法による場合には結晶性の悪化や、結晶欠陥が発生し、所望の特性、特に単位膜厚当たりの絶縁耐圧を得ることができない場合があり、また、膜厚を厚くするのに長時間かかるため、やはり膜全体として絶縁耐圧の高い膜を得るには不向きである。
【０００６】
また、従来の方法では比較的高温で誘電体層を形成しなければならず、基板の材料が制限されてしまう不利もある。更に、誘電体層の膜厚を厚くすることが困難なため破壊電圧が低いという課題もある。
【０００７】
なお、基板上に誘電体層（脆性材料構造物）を形成する方法として、本発明者らは、エアロゾルデポジション法を特許第３２６５４８１号および国際特許出願ＷＯ　０１／２７３４８Ａ１号に提案している。
このエアロゾルデポジション法はセラミック粒子などの脆性材料粒子をエアロゾル化して基材に衝突させて、衝突による衝撃で前記誘電体微粒子を変形または破砕し、この変形または破砕にて生じた活性な新生面を介して微粒子同士を再結合させて基材表面に脆性材料構造物（膜など）を形成するものである。
従来のガスデポジション法と上記エアロゾルデポジション法との大きな違いは、前者が熱を利用して微粒子を焼結させているのに対し、後者のエアロゾルデポジション法は、粒子径、衝突速度、雰囲気、更には必要に応じて微粒子に内部歪を予め付与するなどの条件下で行うことで、室温にて脆性材料構造物の形成を可能とした点である。そして、形成された脆性材料構造物も、多結晶で結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないという特異性を有している。
【０００８】
上記エアロゾルデポジション法については、全ての基材に適用できるわけではなく、本発明者らは最近、基材の硬度のうち特にＤＨｖ２（材料の塑性変形分を考慮したダイナミック硬さ）に依存するという知見を得た。
即ち、金属やセラミックなどの高硬度の基材にはエアロゾルデポジション法によって脆性材料構造物を形成できるが、樹脂などの比較的低硬度の材料にあっては、ＤＨｖ２が４０以下のＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）およびポリイミドには脆性材料構造物を形成できるが、ＤＨｖ２が４０を超えるエポキシ樹脂やポリプロピレンには脆性材料構造物を形成できないことが判明した。
【０００９】
即ち、コンデンサの製造にエアロゾルデポジション法を適用する場合には、基板の特性として、誘電体構造物が形成されるものか否かでその製造方法が異なり、製造方法を誤ると下部電極と上部電極が短絡したり、無駄な構造を採用することにもなる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく第１発明に係るコンデンサは、絶縁基板として例えばＤＨｖ２が４０以上のエアロゾルデポジション法によって成膜不可能なものとし、この基板上に下部電極、誘電体層および上部電極が順に積層され、更に誘電体層の周囲または周囲の一部には下部電極と上部電極の導通を阻止する絶縁層が形成された構成とした。
【００１１】
また、本願の第２発明に係るコンデンサは、下部絶縁基板として例えばＤＨｖ２が４０以上のエアロゾルデポジション法によって成膜不可能なものとし、この下部絶縁基板、下部電極、誘電体層、上部電極および上部絶縁基板が順に積層されたコンデンサであって、前記誘電体層は誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させることで下部電極の表面にのみ形成され、更に前記上部電極は前記誘電体層の内側領域に形成され、下部絶縁基板には下部電極への給電部が設けられ、上部絶縁基板には上部電極への給電部が設けられた構成とした。
【００１２】
エアロゾルデポジション法を適用することで、短時間のうちに破壊電圧の極めて高い厚膜（１μｍ以上）のコンデンサを得ることができる。
【００１３】
本発明はコンデンサ単品に限定されるものではなく、このコンデンサを基板の一部に組み込み、基板の他の部分にはＩＣなどの別の素子を搭載した複合回路基板も含む。
【００１４】
また本発明に係るコンデンサの製造方法は、誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度の絶縁基板表面に下部電極を形成し、この下部電極に誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させ、衝突による衝撃で前記誘電体微粒子を変形または破砕し、微粒子同士を再結合せしめて絶縁基板表面に前記下部電極を覆う誘電体層を形成し、次いで、この誘電体層の周囲または周囲の一部に下部電極と上部電極の導通を阻止する絶縁層を形成し、更に誘電体層の上に上部電極を形成する。
【００１５】
また本発明に係るコンデンサの別の製造方法は、誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度の下部絶縁基板表面に下部電極を形成し、この下部電極に誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させ、衝突による衝撃で前記誘電体微粒子を変形または破砕し、微粒子同士を再結合せしめて絶縁基板表面に前記下部電極を覆う誘電体層を形成し、次いで、この誘電体層の領域内に上部電極を形成し、この上部電極に上部電極への給電部を備えた上部絶縁基板を積層する。
【００１６】
前記下部電極および上部電極については、導電ペーストをプリントした後に焼成するか、誘電体層の形成法と同様の、金属微粒子のエアロゾルを基板または誘電体層表面に吹き付けることで形成する。
【００１７】
【発明の実施の態様】
図１は本発明に係るコンデンサの製造装置（エアロゾルデポジション装置）の一例を示す図であり、製造装置１０は窒素ガスボンベ１０１がガス搬送管１０２を通じて、チタン酸化バリウムなどの誘電体微粒子を内蔵するエアロゾル発生器１０３に接続され、更に搬送管１０２を通じて構造物作製室１０５内のノズル１０４に接続される。ノズル１０４は先端に１０ｍｍ×０．４ｍｍの開口部を有する。ノズル１０４の上方には支持台１０６に固定された基板２０１が配置され、支持台１０６はＸＹステージ１０７によって２次元で駆動可能である。構造物作製室１０５は真空ポンプ１０８に接続されている。
【００１８】
（実施例１）
次に具体的な実施例を図２〜図５に基づいて説明する。ここで、図２−〜図５の（ａ）は各工程での平面図、（ｂ）は断面図、図６は最終製品の断面図である。
先ず、図２に示すように、厚さ約０．６ｍｍのガラス繊維含有エポキシ樹脂基板２０１上に厚さ３５ミクロンの銅箔を付着し、エッチング処理によって下部電極２０２、下部電極用ランド２０２ａ、下部電極２０２とランド２０２ａとの接続部２０２ｂおよび上部電極用ランド２０７を形成した。下部電極２０２の主要部分の面積は８ｍｍ×８ｍｍであった。
【００１９】
次に、図３に示すように、下部電極２０２上にエアロゾルデポジション法によってチタン酸バリウム誘電体層２０３を形成した。
ガラス繊維含有エポキシ樹脂基板２０１は硬度（ＤＨｖ２）が４０を超えるためエアロゾルデポジション法によってチタン酸バリウム誘電体層２０３は形成されない。尚、下部電極用ランド２０２ａ、下部電極２０２とランド２０２ａとの接続部２０２ｂおよび上部電極用ランド２０７の表面にはチタン酸バリウム誘電体層２０３が形成されるが、ノズル１０４を上記の箇所から外すかマスクをかけることでチタン酸バリウム誘電体層２０３は形成されない。
【００２０】
このような、誘電体層２０３を形成する手順は以下のとおりである。
予め、平均粒径０．４μｍに調整されたチタン酸バリウム微粒子を準備し、これをエアロゾル発生器１０３内に充填する。窒素ガスボンベ１０１より搬送管１０２を通じて混合粉末を装填したエアロゾル発生器１０３内に窒素ガスをガス流量４．０ｌ／ｍｉｎで供給し、エアロゾル発生器１０３を作動させてチタン酸バリウム微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管１０２を介して構造物作製室１０５内に設置されたノズル１０４から基板２０１に向けて高速で微粒子ビームとして噴射される。微粒子ビームを噴射させると同時に基板２０１をＸＹステージ１０７によって１０分間揺動させて１０ｍｍ×１０ｍｍの面積を有する厚さ１０μｍの誘電体層２０３を形成させた。このとき、誘電体層２０３は下部電極２０２と中心を合わせて形成させ、下部電極２０２を誘電体層２０３で覆うようにした。尚、複合構造物作製装置１０５内は真空ポンプ１０８によって１ｋＰａ以下に保たれる。
【００２１】
次いで、図４に示すように、誘電体層２０３の外周部に低温硬化型ポリイミドペーストを、誘電体層２０３の外周部に対して２ｍｍの幅を持たせて印刷し、約１８０℃にて１時間乾燥させて絶縁層２１０を形成した。硬化後の膜厚は約５μｍであった。絶縁層２１０は誘電体層２０３の外周部全周に設けず一部にのみ設け、この部分に後述するランド２０７への接続部を形成してもよい。
【００２２】
更に、図５に示すように、誘電体層の開口部にＡｇペーストを印刷して、１６０℃で１時間乾燥させて上部電極２０４を形成させた。上部電極２０４の有効面積は６ｍｍ×６ｍｍであり、接続部２０４ａにてランド２０７に接続される。
【００２３】
この後、図６に示すように、接着剤層であるプリプレグ２０５を積層させ、その上部に保護基板２０６を積層し、真空下、１８０℃で１時間、４ＭＰａの圧力下で加熱硬化させた。尚、保護基板２０６上面にはスルーホール形成用のランドが形成されており、下部電極２０２及び上部電極２０４のランドと位置を合わせるように積層させる。硬化後、各電極層のランドの中心に直径０．５ｍｍのスルーホール２０８がそれぞれ形成され、その内部にメッキ層２０９を形成させて下部電極２０２、上部電極２０４の各々の端子とした。
【００２４】
上述のように形成されたコンデンサに含まれるチタン酸バリウム誘電体層は、測定周波数１ｋＨｚにおいて比誘電率（εｒ）は７０を示し、静電容量（Ｃ）は２．２３ｎＦ，誘電正接（ｔａｎδ）は０．６％以下であった。また、本法によって作成された誘電体層は緻密で下部電極及び基板と強固な密着性を有するため高い絶縁性を有し、実際に１ｋＶ以上の耐電圧を示した。
【００２５】
（実施例２）
図７は実施例２の断面図であり、実施例１と同一の部材については同一の番号を付している。この実施例にあっては、絶縁層２１０を設けずに、上部電極２０４の形成領域を誘電体層２０３の内側領域とし、しかもこの上部電極２０４への給電を上部絶縁基板３０１に設けた給電部３０１ａを介して行うようにしている。
【００２６】
（実施例３）
エアロゾルデポジション法によってガラス繊維含有エポキシ基板上に５ｍｍ×５ｍｍのチタン酸バリウム誘電体層を形成し、２．５ｍｍ×３．０ｍｍの上部電極を設けてコンデンサを作成した。以下の表１に各誘電体層厚さに対する静電容量と破壊電圧を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１から明らかなように、厚さ０．８ミクロンでは誘電体層に欠陥が存在し、リーク電流によって誘電率測定が行うことができなかった。厚さ１ミクロン以上の領域において静電容量を誘電体厚さによって制御でき、非常に高い破壊電圧を示した。以上より、エアロゾルデポジション法では１ミクロン以上、好ましくは破壊電圧として３００Ｖ程度が得られる３ミクロン以上において信頼性の高いコンデンサを形成できる。
【００２９】
本実施例においてはガラス繊維含有エポキシ基板を用いたが、この他、紙フェノールなど安価で汎用性の高い樹脂基材などでも良い。また、誘電体形成工程は常温で良いため、基板は特に２００℃以上といった耐熱性でなくても良い。
【００３０】
本実施例において、下部電極は金属箔を用いたが、この他、金属ペースト、スパッタ、蒸着膜でも良く、基板、誘電体層との密着性がある程度保たれていれば良い。下部電極厚さは誘電体層と同等か、それ以下であることが好ましく、緻密で凹凸の少ないものが良い。
【００３１】
本実施例において、誘電体層はチタン酸バリウムを用いたが、この他、ＳｒＴｉＯ_３、ＰＺＴなど高誘電率を示すセラミックス材料が好ましい。本発明においては、膜厚、比誘電率、電極面積を変化させることによって数ｐＦ〜数μＦまでの制御が可能である。
【００３２】
本実施例においては、窒素ガスを用いたが、この他使用するガスは乾燥空気、酸素、アルゴン、ヘリウムなどでも良い。本実施例においては、酸化アルミニウム微粒子を用いたが、この他の酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、半導体などの脆性材料微粒子や脆性材料と延性材料の複合微粒子などでも良く、本実施例では一次粒子径０．４μｍの微粒子を用いたが、これ０．６μｍ以下の粒子径のものであれば良い。
【００３３】
本実施例において、上部電極はＡｇペーストを用いたが、他に蒸着、スパッタなどで形成させても良く、下部電極ほど強度、密着性を必要としない。本実施例において、基板にガラス繊維含有エポキシ基板を用いたが、アルミナ基板、シリカ基板など低誘電率を示すものでも良い。また、本発明において、誘電体形成工程は常温で良いため、基板は特に数百℃以上といった耐熱性でなくても良い。
【００３４】
本実施例において、プリプレグ層にはガラス織布含有エポキシ系プリプレグを用いたが、熱硬化性の樹脂を主成分としていれば良く、特に補強が必要な場合はガラス繊維の織布、ガラス繊維の不織布、耐熱性有機繊維の織布及び不織布などが含まれていても良い。熱硬化温度はコア材の耐熱温度以下であることが望ましい。厚さは０．０５〜０．５ｍｍ程度で良く、複数枚使用することで、層間の厚さを制御できる。
【００３５】
更に、保護層は電極及び誘電体層を封止させる役割を果たすが、さらに保護層の代わりに基板、電極、誘電体を何層でも積層させることもでき、回路基板の小型化が実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、破壊電圧が極めて高く、その他の特性も優れたコンデンサが得られる。特にチタン酸バリウム誘電体層は、緻密で絶縁性が非常に優れているため、高圧用コンデンサとして用いることができる。
また、エアロゾルデポジション法の適用によって膜形成が行えない材料を基板に選定したので、マスクを用いずに下部電極表面に誘電体層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンデンサの製造装置の一例を示す図
【図２】（ａ）は基板に下部電極、下部電極用ランドおよび上部電極用ランドを形成した状態の平面図、（ｂ）は断面図
【図３】（ａ）は基板の下部電極の上に誘電体膜を形成した状態の平面図、（ｂ）は断面図
【図４】（ａ）は誘電体膜の周囲に絶縁層を形成した状態の平面図、（ｂ）は断面図
【図５】（ａ）は誘電体膜の上に上部電極を形成した状態の平面図、（ｂ）は断面図
【図６】最終製品の一例を示す断面図
【図７】別実施例の断面図
【符号の説明】
１０…コンデンサの製造装置、１０１…窒素ガスボンベ、１０２…ガス搬送管、１０３…エアロゾル発生器、１０４…ノズル、１０５…構造物作製室、１０６…支持台、１０７…ＸＹステージ、１０８…真空ポンプ、２０１…基板、２０２…下部電極、２０２ａ…下部電極用ランド、２０２ｂ…下部電極とランドとの接続部、２０３…誘電体層、２０４…上部電極、２０４ａ…接続部、２０５…プリプレグ、２０６…保護基板、２０７…上部電極用ランド、２０８…スルーホール、２０９…メッキ層、３０１…基板。

Claims

絶縁基板上に下部電極、誘電体層および上部電極が順に積層されたコンデンサであって、前記絶縁基板の硬度は誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度であり、また前記誘電体層は誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させることで下部電極の表面にのみ形成され、更に前記誘電体層の周囲または周囲の一部には下部電極と上部電極の導通を阻止する絶縁層が設けられていることを特徴とするコンデンサ。
下部絶縁基板、下部電極、誘電体層、上部電極および上部絶縁基板が順に積層されたコンデンサであって、前記下部絶縁基板の硬度は誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度であり、また前記誘電体層は誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させることで下部電極の表面にのみ形成され、更に前記上部電極は前記誘電体層の内側領域に形成され、下部絶縁基板には下部電極への給電部が設けられ、上部絶縁基板には上部電極への給電部が設けられていることを特徴とするコンデンサ。
請求項１または請求項２に記載のコンデンサにおいて、前記誘電体層の厚みは１μｍ以上であることを特徴とするコンデンサ。
請求項１乃至請求項３に記載のコンデンサを一部に組み込んだことを特徴とする複合回路基板。
誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度の絶縁基板表面に下部電極を形成し、この下部電極に誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させ、衝突による衝撃で前記誘電体微粒子を変形または破砕し、微粒子同士を再結合せしめて絶縁基板表面に前記下部電極を覆う誘電体層を形成し、次いで、この誘電体層の周囲または周囲の一部に下部電極と上部電極の導通を阻止する絶縁層を形成し、更に誘電体層の上に上部電極を形成することを特徴とするコンデンサの製造方法。
誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させても誘電体膜を形成することができない硬度の下部絶縁基板表面に下部電極を形成し、この下部電極に誘電体微粒子のエアロゾルを衝突させ、衝突による衝撃で前記誘電体微粒子を変形または破砕し、微粒子同士を再結合せしめて絶縁基板表面に前記下部電極を覆う誘電体層を形成し、次いで、この誘電体層の領域内に上部電極を形成し、この上部電極に上部電極への給電部を備えた上部絶縁基板を積層することを特徴とするコンデンサの製造方法。
請求項５または請求項６に記載のコンデンサの製造方法において、前記下部電極および上部電極は導電ペーストをプリントした後、焼成することで形成することを特徴とするコンデンサの製造方法。
請求項５または請求項６に記載のコンデンサの製造方法において、前記下部電極および上部電極も誘電体層の形成法と同様の、金属微粒子のエアロゾルを基板または誘電体層表面に吹き付けることで形成することを特徴とするコンデンサの製造方法。