JP2006004984A - 固体電解キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線基板に内蔵でき、配線基板に搭載されるＣＰＵ等の半導体チップの近くに配置することが可能で、且つ電解重合法だけで電解質層を形成可能な、薄型の固体電解キャパシタとその製造方法を提供すること。
【解決手段】 ２つの平行な電極１１、１９の間に、表面に誘電体層１４’を形成し、当該２つの電極のうちの一方に接続した線状の導電性部材１４と、当該線状の導電性部材１４を埋め込み、当該２つの電極のうちの他方に接続した固体電解質層１６とを含む固体電解キャパシタ３０とする。この固体電解キャパシタは、誘電体層１４’を形成するための第１の電極として基材１１を使用し、電解重合により固体電解質層を形成するための第２の電極として基材１１上に絶縁層１３を間に挟んで形成した導電層１２を使用する方法により製造することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体チップを搭載する配線基板あるいは半導体パッケージに内蔵できる薄型の固体電解キャパシタとその製造方法に関する。

ＣＰＵ等の半導体チップを搭載する配線基板あるいは半導体パッケージには、半導体チップに供給する電源電圧の変動を抑えるためのキャパシタ（デカップリングキャパシタ）が搭載される。例えば、現在市販されているＣＰＵのパッケージには、セラミックチップキャパシタが外付けされている。

近年は、ＣＰＵの動作周波数の高周波化が進んでいるため、より大容量のキャパシタを、よりＣＰＵの近傍に設けることが求められている。キャパシタをＣＰＵに近づけて配置すると、ＣＰＵとキャパシタとを接続する配線のインダクタンスを減少させることができ、配線の電気的特性が向上する。よって、大容量のキャパシタをＣＰＵに近づけて配置することにより、電源電圧の変動を好適に抑えることができる。そこで、キャパシタをＣＰＵの近くに設けるため、配線基板（半導体パッケージ）内部にキャパシタを設けることが考えられている。

例えば、特許文献１、特許文献２には、高容量化が可能な固体電解キャパシタを配線基板内に作り込み、絶縁層内に内蔵した配線基板が開示されている。しかし、固体電解キャパシタを配線基板内に作り込むのは、そのための工程が複雑であり、実際に製品化することは困難である。

特許文献３には、配線基板とは別に形成した単独の電子部品としてのキャパシタを配線基板内に内蔵させることが開示されている。この場合には、キャパシタは、導電性接着ペースト又は導電性接着シートを用いて形成された導電層を介して、基板内部の配線層に接続される。この技術により、電子部品としての固体電解キャパシタを配線基板内に内蔵すれば、工程が複雑で実際に製品化するのが困難であるという、固体電解キャパシタを配線基板内に作り込む上述の技術の難点を克服できると考えられる。

従来の電子部品としての固体電解キャパシタは容量が大きく、実績もあるが、電子部品としてのこれまでの固体電解キャパシタは、例えば特許文献４〜６に記載されたように、キャパシタ素子にリードを取り付け、そしてキャパシタ素子の全体を樹脂封止して製作されるため外形が大きくなってしまう。そのため、これまでの固体電解キャパシタを薄く形成される配線基板の絶縁層内に内蔵することは難しい。

固体電解キャパシタの固体電解質としては、現在、例えば導電性高分子、ＭｎＯ₂、ＴＣＮＱ錯体、あるいはＭｎＯ₂と導電性高分子との組み合わせ等の様々な材料が使用されている。導電性高分子は、容量を確保しながらキャパシタの小型化が容易であることから、近年その利用が増加している。導電性高分子で電解質層を形成する方法としては、化学重合法と電解重合法が知られている。化学重合法と電解重合法を比べると、化学重合法は非効率的であり、所定の厚さの電解質層を形成するのに多大の時間を要する。しかし、一般にバルブメタルの陽極酸化で形成される誘電体膜上に電解重合法で電解質層を直接形成することは、誘電体膜に通電する必要から誘電体膜の損傷を招くため、行うことができない。そのため、通常は、誘電体膜上に長時間かけて化学重合により電解質層を形成してから、この電解質層に通電して電解重合により所定の厚さの電解質層を形成している。このような導電性高分子の固体電解質層の形成工程は、複雑であり、且つ長時間を要する。

特開２００２−２４６２７２号公報 特開２００２−２６０９６０号公報 特開２００１−２７４０３４号公報 特開平６−３１０３８７号公報 特開平７−２２６３３６号公報 特開平１１−２８８８４８号公報

本発明の目的は、上述の従来技術の問題を解決して、配線基板に内蔵でき、配線基板に搭載されるＣＰＵ等の半導体チップの近くに配置することが可能で、且つ電解重合法だけで電解質層を形成可能な、薄型の固体電解キャパシタとその製造方法を提供することである。

本発明の固体電解キャパシタは、キャパシタの２つの平行な電極の間に、表面に誘電体層を形成し、当該２つの電極のうちの一方に接続した線状の導電性部材と、当該線状の導電性部材を埋め込み、当該２つの電極のうちの他方に接続した固体電解質層とを含むことを特徴とする。

好ましくは、固体電解質層は化学重合によらず電解重合のみで作られた導電性高分子で形成される。好適な導電性高分子は、例えばポリピロール、ポリチオフェン又はポリアニリンである。

好ましくは、線状の導電性部材は金属のワイヤである。この金属はバルブメタルであるのが好ましく、例えばＡｌ又はＴａを使用することができる。好ましくは、本発明の固体電解キャパシタは複数の線状導電性部材を有する。

本発明の固体電解キャパシタは、キャパシタの一方の電極となる導電性基材上に、絶縁層を間に挟んで導電層を形成し、線状の導電性部材をこの導電層をまたいで各端部が導電性基材に接続するように張り渡し、当該線状の導電性部材を陽極酸化してその表面に誘電体層を形成し、上記導電層を一方の電極とする電解重合により、上記誘電体層を形成した導電性部材を埋め込んだ固体電解質層を形成し、この固体電解質層に、キャパシタの他方の電極材料を接続することを特徴とする方法により製造することができる。

本発明によれば、電解重合だけで形成した導電性高分子の固体電解質層を使用する固体電解キャパシタの提供が可能になる。そのため、本発明の固体電解キャパシタは、化学重合と電解重合を併用して固体電解質層を形成するこれまでの固体電解キャパシタに比べ、簡略化した工程で製造することができる。

また、本発明の固体電解キャパシタは、２つの平行電極の間に誘電体層と固体電解質層を含む積層構造体を挟んだ単純な構造（これまでの単独の電子部品としての固体電解キャパシタのように全体を樹脂封止したキャパシタ素子から引き出したリードを使用しない構造）であり、従来の単品固体電解キャパシタと比べ特に薄型にすることができる。そのため、本発明の固体電解キャパシタは配線基板や半導体パッケージに内蔵するのに好適である。

本発明の固体電解キャパシタでは、表面に誘電体層を形成した線状の導電性部材と、それを取り囲む固体電解質層を使用する。線状の導電性部材は、陽極酸化でその表面に誘電体層を形成できるように、バルブメタル製であるのが好適である。また、線状の導電性部材は、一般に円形断面の金属ワイヤのような材料で製作することができる。場合によっては、ストリップまたはリボン状の平たい形状の導電性部材を使用することも可能である。また、線状の導電性部材は１つのキャパシタについて１つ以上あればよいが、キャパシタの容量の観点から導電性部材表面の誘電体層の表面積の大きいことが好ましく、そのため断面寸法の小さな導電性部材を複数用いるようにする方が好ましい。複数の導電性部材を使用する場合、それらはどのように配列してもよい。例えば、平行に配列してもよく、あるいは１以上の導電性部材と別の１以上の導電性部材を交差させて配列してもよい。

表面に誘電体層を形成した導電性部材の周囲を取り囲む固体電解質層は、好ましくは、電解重合で作られる導電性高分子材料により形成する。導電性部材表面の誘電体層の上に化学重合によらず電解重合だけで導電性高分子材料の固体電解質層を直接形成するために、本発明のキャパシタでは、誘電体層の形成と固体電解質層の形成に別々の部材を電極として使用することができる。具体的に言えば、キャパシタの一方の電極となる導電性基材を第１の電極板として利用し、これに接続した線状の導電性部材に通電してその表面を陽極酸化して、誘電体層を形成することができる。一方、導電性基材上に絶縁層を間に挟んで位置する導電層を第２の電極板として利用して電解重合を行い、表面に誘電体層を形成した線状導電性部材を取り込んで高分子固体電解質層を形成することができる。

次に、図面を参照して本発明を説明する。言うまでもなく、以下の説明は本発明の態様を例示するものであって、本発明を限定するものではない。

図１（ａ）〜１（ｅ）を参照して、本発明の固体電解キャパシタの例をその製造方法とともに説明する。
図１（ａ）に示したように、第１の電極板としてＡｌ箔の基材１１（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ）を用意し、その上に第２の電極板としてステンレス箔１２（１ｍｍ×１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）を接着剤層（絶縁層）１３（厚さ２０μｍ）を介して貼り付ける。このとき、貼り付けたステンレス箔１２の周囲に下地の基材１１が露出するようにする。接着剤層１３には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等を用いることができる。

続いて、Ｔａワイヤ１４（直径０．１ｍｍ）を、ステンレス箔１２と接触することなく、ステンレス箔１２の上を直交して横切るように、各端部をＡｌ箔の基材１１に溶接して張り渡す。張り渡したＴａワイヤ１４を図２の模式図に示す。

次に、基材１１側を上向きにして、Ｔａワイヤ１４がステンレス鋼製の容器（図示せず）内のアジピン酸アンモニウム水溶液（陽極酸化処理液）に浸るように配置し、基材１１に接続したステンレス箔１２を陽極、ステンレス鋼製容器を陰極とするＴａワイヤ１４の陽極酸化処理を行って、その表面に陽極酸化膜（Ｔａ₂Ｏ₅膜）の誘電体（ここでは簡単にするため図示せず）を形成する。この陽極酸化処理は、１０〜８０Ｖ程度の電圧を印加して行い、Ｔａワイヤ１４の表面に０．０１５〜０．１２μｍの陽極酸化膜を形成する。この処理により表面に陽極酸化膜（図示せず）を形成して体積の増加したＴａワイヤ１４は、図１（ｂ）に示したようにステンレス箔１２と接触してもよい。

陽極酸化膜の形成後、やはり基材１１側を上向きにして、第２の電極板のステンレス箔１２が電解重合液に浸漬するように配置し、第２の電極板のステンレス箔１２を陽極、電解重合液中の別のステンレス鋼板を陰極とする電解重合を行って、ステンレス箔１２の上に固体電解質層を、陽極酸化膜を表面に形成したＴａワイヤ１４がその中に埋まるまで形成する。ここでは、電解重合液として、過塩素酸イオン又は四フッ化ホウ素イオンを添加したピロールモノマーのアセトニトリル溶液を使用して、厚さ０．２３〜０．２５μｍのポリピロールの導電性高分子固体電解質層１６（図１（ｃ））を形成する。

形成した固体電解質層１６の上に、カーボンペーストを印刷により被着し、１５０℃で３０分間加熱して、図１（ｄ）に示したようにカーボンペースト層１７（厚さ５〜１０μｍ）を形成する。次に、カーボンペースト層１７の上にＡｇペーストを印刷により被着し、その上に厚さ０．１ｍｍのＣｕ箔１９を搭載し、１８０℃で６０分間加熱して、同じく図１（ｄ）に示したようにＣｕ箔１９を有するＡｇペースト層１８（厚さ５〜５０μｍ）を形成する。Ａｌ箔の基材１１とＣｕ箔１９の間の積層構造体において、Ｔａワイヤ１４の表面の陽極酸化誘電体膜と固体電解質層１６によりキャパシタが構成され、Ａｌ箔の基材１１とＣｕ箔１９がこのキャパシタのそれぞれ陽極及び陰極となる。

最後に、図１（ｅ）に示したように、Ａｌ箔の基材１１とＣｕ箔１９の間の空隙部に絶縁性樹脂２０を充填して、キャパシタの樹脂封止を行い、本発明の固体電解キャパシタを完成する。封止用の絶縁性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を使用し、１５０℃で６０分加熱して硬化させることができる。

次に、本発明の固体電解キャパシタのもう一つの例を説明する。この例の固体電解キャパシタは、Ｔａワイヤの代わりにＡｌワイヤを使用することを除いて、先に説明した例のキャパシタと同様である。

具体的に説明すると、この場合には、直径５０μｍのＡｌワイヤを使用して、このＡｌワイヤがステンレス箔１２（図１（ａ））と接触することなく、ステンレス箔１２の上を直交して横切るように、各端部をＡｌ箔の基材１１（図１（ｂ））にウェッジボンディングで接続して張り渡す。このウェッジボンディングは、室温において１０〜５０ｇのボンディング加重、２〜２０ｍｓｅｃの超音波発振時間という条件で行う。

また、この例では先の例におけるＴａワイヤより細いＡｌワイヤを使用することから、陽極酸化により表面に誘電体膜を形成したＡｌワイヤを埋めるよう形成する固体電解質層１６（図１（ｃ））の厚さは１２０〜１５０μｍとすることができる。

図３に、図１（ａ）〜１（ｅ）を参照して先に説明したように製造した本発明の固体電解キャパシタ３０を模式的に示す。この図のキャパシタ３０において、図１（ａ）〜１（ｅ）で先に示した部材はそれらと同じ符号で示されており、Ｔａワイヤ１４の陽極酸化によりその表面に形成したＴａ₂Ｏ₅誘電体膜は符号１４’で示されている。

このように、これまでの単独の電子部品としての固体電解キャパシタのように全体を樹脂封止したキャパシタ素子から引き出したリードを使用しない構造の本発明の固体電解キャパシタは、従来の固体電解キャパシタと比べ特に薄型にすることができ、配線基板に内蔵するのが容易である。図４に、本発明のキャパシタを内蔵した配線基板の一部分を示す。この図の例では、コア基板６０の上に絶縁層６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが位置し、コア基板６０上と各絶縁層６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ上に配線６４が形成され、コア基板６０の両面の配線はスルーホール６６で、またコア基板６０の片側の各層の配線はビア６８で相互に接続されている。本発明の固体電解キャパシタ７０は、絶縁層６２ｂの上の絶縁層６２ｃ中に埋め込まれている。このキャパシタ７０の一方の電極（図示せず）は上面、もう一方の電極（図示せず）は下面に露出しており、それぞれ上層及び下層の配線に接続されている。

本発明の固体電解キャパシタでは、上述の態様のほかにも様々な態様が可能である。例えば、表面に誘電体膜を形成するワイヤとしては、陽極酸化が可能な任意の材料のワイヤを使用可能であり、ワイヤの直径は例えば３０〜５００μｍの範囲内でよい。第１の電極板としては、表面に誘電体膜を形成するワイヤをウェッジボンディング、溶接、はんだ付け等で接合できる任意の板状材料を使用可能である。そのような材料の例としては、先の例で使用したＡｌ箔以外に、Ｃｕ／Ｔｉ／Ａｌ等の積層基材を挙げることができる。また、第１の電極板の厚さは、例えば５０〜２００μｍの範囲内から適宜選ぶことができる。第２の電極板には、先の例で使用したステンレス箔以外に、白金を用いてもよく、あるいは表面に白金のスパッタ膜を形成したステンレス箔を用いてもよい。

固体電解質層には、電解重合で形成可能な導電性高分子を使用することができ、先の例で使用したポリピロールのほかに、ポリチオフェン、ポリアニリン等を使用可能である。場合によっては、例えば導電性高分子とＭｎＯ₂との組み合わせなどを、固体電解質層として使用することも可能である。

固体電解質層とキャパシタの陰極となる板状金属材料との接合には、先の例で使用したＡｇペーストのほかに、例えばＣｕペースト、Ｎｉペーストなども使用可能であり、またそれらを組み合わせて使用することも可能である。

本発明の固体電解キャパシタは、先に説明したように単独の電子部品として製造するだけでなく、キャパシタを組み込もうとする配線基板の製作過程において直接その配線基板内に作り込むことも可能である。配線基板内に直接作り込む場合には、第１の電極板でありキャパシタの陽極となる基材、第２の電極板、及びキャパシタの陰極となる金属板の代わりに、スパッタリングなどでずっと薄く形成できる金属膜を利用可能であることから、更に薄型化したキャパシタを得ることが可能になる。

本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。 本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。 本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。 本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。 本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。 線状導電性部材のＴａワイヤを張り渡した、製造過程の固体電解キャパシタを説明する図である。 本発明の固体電解キャパシタを説明する模式図である。 本発明の固体電解キャパシタを内蔵した配線基板の例を説明する図である。

符号の説明

１…基材１１
１２…ステンレス箔
１３…接着剤層
１４…Ｔａワイヤ
１４’…Ｔａ₂Ｏ₅誘電体膜
１６…固体電解質層
１７…カーボンペースト層
１８…Ａｇペースト層
１９…Ｃｕ箔
３０、７０…固体電解キャパシタ

Claims (8)

1. ２つの平行な電極の間に、表面に誘電体層を形成し、当該２つの電極のうちの一方に接続した線状の導電性部材と、当該線状の導電性部材を埋め込み、当該２つの電極のうちの他方に接続した固体電解質層とを含むことを特徴とする固体電解キャパシタ。
2. 前記固体電解質層が電解重合のみで作られた導電性高分子で形成されている、請求項１記載の固体電解キャパシタ。
3. 前記導電性高分子がポリピロール、ポリチオフェン又はポリアニリンである、請求項２記載の固体電解キャパシタ。
4. 前記線状の導電性部材が金属のワイヤである、請求項１から３までのいずれか一つに記載の固体電解キャパシタ。
5. 前記金属がバルブメタルである、請求項４記載の固体電解キャパシタ。
6. 前記金属がＡｌ又はＴａである、請求項４記載の固体電解キャパシタ。
7. 前記線状の導電性部材を複数有する、請求項１から６までのいずれか一つに記載の固体電解キャパシタ。
8. ２つの平行な電極の間に、表面に誘電体層を形成し、当該２つの電極のうちの一方に接続した線状の導電性部材と、当該線状の導電性部材を埋め込み、当該２つの電極のうちの他方に接続した固体電解質層とを含む固体電解キャパシタの製造方法であって、キャパシタの一方の電極となる導電性基材上に、絶縁層を間に挟んで導電層を形成し、線状の導電性部材をこの導電層をまたいで各端部が導電性基材に接続するように張り渡し、当該線状の導電性部材を陽極酸化してその表面に誘電体層を形成し、上記導電層を一方の電極とする電解重合により、上記誘電体層を形成した導電性部材を埋め込んだ固体電解質層を形成し、この固体電解質層にキャパシタの他方の電極材料を接続することを特徴とする固体電解キャパシタ製造方法。

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