JP2008507847A - 高エネルギー貯蔵密度及び低esrを有するコンデンサ - Google Patents
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Abstract
Description
A. 面積拡大静電コンデンサ
本発明の重要な側面は、原子層成長法(ALD)を用いて堆積したコンフォーマル層を用いる巨視的コンデンサなどの巨視的電気デバイスの製造である。これらのデバイスは、個別の電気部品として、ハイブリッド回路の成分として、集積回路板の部分として、及び他の用途に用いられ得る。本明細書において、「巨視的」とは、個々のコンデンサなどの個々の電気部品が200ミクロン以上のサイズであることを意味する。好ましくは、個々の電気部品は2,000ミクロン以上である。
B. 歩留まり改良方法
電解アルミニウムコンデンサは、コンデンサESRが有用範囲を超えて劣化すると典型的に機能不全となる。誘電体故障は、弱いスポットにおける誘電層の肉厚化の電気化学形成に起因する自己回復機構により、典型的には防止される。弱いスポットは、陽極酸化法にて欠陥に関連する局所的な肉薄誘電体面積として記載することができる。たとえば、図3aは、誘電層220内に形成された局所化された肉薄スポット222を概略的に示す。222などのクラック及び他の欠陥は、酸化時に大量(室温にて1.4倍よりも多い)のアルミニウムへの暴露、及び陽極酸化法で成長したAI2O3が、基板アルミニウムと層AI2O3との間の界面及び既に形成されたAI2O3の下の界面にて成長し、したがって重層、既に形成されたAI2O3に大きな応力がかかるという事実ゆえに陽極酸化法において避けることができない。局所化された肉薄スポットは、層220の完全な肉厚面積よりも実質的により低い電圧で絶縁破壊され易い。したがって、電解コンデンサが完全に定格化電圧にさらされるとき、局所化された肉薄スポットは絶縁破壊され、比較的高い電流が絶縁破壊スポットに局所化される。電流は、肉厚の局所化されたAI2O3の成長によりスポットを本質的に「修復」する追加の陽極酸化を誘発する。修復プロセスは、絶縁破壊が「オフ」になるとき、すなわちスポットにおける誘電体厚みが適切な厚みに到達するときに生じる。この有用な機構「エージング」は、高い歩留まりを有する大型静電容量コンデンサの製造を可能とする電解コンデンサ技術の重要な利点である。しかし、「自己補正」機構は、酸化プロセスのために酸素を供給する電解質に依存する。
C. 低ESRコンデンサ
本発明の主たる目的は、低い等価直列抵抗(ESR)コンデンサを達成することである。典型的にはALD TiN薄層又は他の導電性ALD膜による層206(図2)実装は、面積が拡大した形体(feature)への低接触抵抗を得るためにほとんど適切である。典型的には、わずかに60Ω/□を有する50nmのTiN ALD膜の層は、0.5μm〜4μm幅と20μmまでの深さを有する大面積形体(feature)に低接触抵抗を与えるに十分である。たとえば、1μΩまでのESRは、40倍までの面積拡大及び20μmまでの深さにエッチングされた形体(feature)を有する完全な層のスタック202+204+206の10cm2面積のコンデンサに適用される。同様に、5/45nmのTiN/Wスタック層206は、上述のコンデンサあたりわずかに0.13μΩのESRを与えるであろう。したがって、ESRへの接触層の貢献は実質的ではない。コンデンサ全体の接触抵抗を減少させる実施形態は、図6a及び6bに概略示されている。図6aは、コンデンサレイアウト400内で誘電層404上に形成されているコンフォーマル導電膜406を示す。膜406は、箔408の領域を横断する箔408との接点420を作る。接点420を改良するために、箔402(その上に層スタック404+406を有する)で巻き付ける前に、自然酸化物を箔408から好ましく除去する。たとえば、アルミニウム箔408は、希リン酸溶液中でエッチングされる。あるいは、低温コンデンサ用では、導電性エポキシ又はペースト(図示せず)の層が箔408と層406との間に挿入される。さらに減少した接点420抵抗は、肉薄導電性非酸化層(図示せず)を好ましくは20nm〜50nmの厚み範囲にある蒸着金などの箔406上に実装する。改良された接点420は、大気への暴露なしに、金などの肉薄非酸化膜(図示せず)で層406の頂部表面を覆うことにより達成されることも好ましく、層406の頂部表面の酸化による接点劣化を実質的に避ける。あるいは、箔408及び/又は膜406上に堆積しているルテニウム(Ru)等の物質は、導電性酸化物、すなわちRu表面上に形成され得るRuO2によって、ESRを実質的に増加させることなく接触抵抗を減少させる。接点420抵抗を減少させるために実装される層は、高静電容量面積点に一致する必要はない。なぜなら、接点420は表面に面する頂部にだけ形成されるからである。したがって、慣用の物理的蒸着(PVD)技術が適切である。
D. PC板との集積
図13に示されている実施形態の記載に表されているコンデンサ箔は、印刷回路基板(PCB)への集積化に特に有用である。たとえばPCBの一部900の実施形態は、図14に示されている。コンデンサは、上述のように、一方の側903上にエッチングされた25μmアルミニウム箔902上に製造される。誘電体層904は、エッチングされた側903上に、10V用途(50%軽減にて)を可能とするたとえば20nmの厚みまで、ALD又は陽極酸化法とALDとの組み合わせにより成長する。接触層906はALDにより成長し、たとえばTiNの10nmである。追加の層958は、層906上に成長し、種(シード)ALD及び電気メッキの組み合わせにより成長した銅の0.5μmなどの低接点ESRを得る。箔902の底部及び層958の頂部の両者とも、好ましくは20nm〜50nmの厚さまでPVD金940及び942でそれぞれ被覆される。この積み重ねられた箔950は、PCB製造者により利用され、コンデンサをPCBレイアウトに集積する。
E. 高エネルギー密度コンデンサ貯蔵デバイス
本発明の目的は、高エネルギー貯蔵コンデンサを製造することである。有利なことに、高電圧に適切なコンデンサは、より低い面積拡大箔でアルミニウム箔上に製造される。たとえば、エッチングされた40倍の面積拡大を有する50μm箔は、上述のようにALD又は陽極酸化法とALDとの組み合わせによって箔の両側に成長した1.0μm厚AI2O3誘電層を提供することができる。50%に低減されると、これらの誘電膜は500Vコンデンサの製造に適切である。低ESR接点は、たとえばALDによって堆積された50nm TiN接触層、続いて10nm種ALD層及び電気メッキの組み合わせにより及び市販の5.8μm厚のアルミニウム箔208(図2)を利用することにより堆積された0.5μmの銅を実施することによって確立される。したがって、面積当たりの静電容量は0.56μF/cm2である。スタックの厚みは56μmまでであり、面積当たりの質量は0.01g/cm2である。400μFを有するコンデンサは、1cm幅の帯を巻き付けることにより形成される。帯の総面積は714cm2であり、したがって、帯の長さは714cmである。0.3125 cm(1/8インチ)外径を有するステンレス薄壁スチールキャピラリ上に巻き付けると、最終的なコンデンサは、176巻、2.3cm直径の巻き付けられたフィルム及び3.4μΩESR及び 2×0.5mm厚の銅接点ディスク270'及び272'(図9)を含む6.7gの重さを有する管状で、図15aに示されている実施形態1000に示される。図15aにおいて、巻き付けられたコンデンサ箔1010は、接触板1020及び1030との組み立て前の状態で示される。4個のコンデンサが用いられて、図15bに示す実施形態1050を組み立てる。コンデンサは、板1020及び1030を一緒にはんだ付け又は蝋付けし、次いで接点パッド1035及び1036を加えることによって連続的に組み立てられる。最後に、保護ジャケット1040が組み立てられる。100μF静電容量を有する積層コンデンサデバイスは2KV電圧で作動することができ、13.6μΩのESRを有する。保護及び電気絶縁ジャケット1040は、完全なコンデンサの直径を2.5cmまで増加させ、総長さを4.6cmまで増加させ、8g以内の重さを追加する。したがって、完全なコンデンサは35gまでの重さであり、22.6cm3までの容積を有する。エネルギー貯蔵容量はE = CV2/2 = 200ジュール又はエネルギー密度5.7ジュール/gとして示される。コンデンサ内部放電時間τ=RCは非常に高いピーク電流に適切な1.4 nsec以内である。たとえば、2KVで完全充電され、1nsec以内に電荷の50%を放電可能である場合、短絡回路で100,000,000Aまでの電流であることを条件として、コンデンサは0.2ジュールまでの電荷を保持する。これらの特性は長い寿命及び高温耐性と共に、従来技術に対する顕著な改良を示す。
Claims (39)
- 化学的にエッチングされた金属箔(202、402、702')を含むコンデンサ(200、400、700')であって、
前記金属箔の上方に成長したコンフォーマルで実質的に均一な誘電層(204、404、704');及び
前記誘電層の上に成長した実質的に均一なコンフォーマル導電膜(206、406、706')
を特徴とするコンデンサ。 - 前記コンフォーマル導電膜の一部と実質的に電気接触している追加の金属箔(208、408、708)をさらに特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- コンフォーマル導電膜の少なくとも一部はALD(原子層成長法)により成長したものであることをさらに特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記コンフォーマル導電膜と実質的に電気接触している追加の導電層(458、758)をさらに特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 追加の導電膜の一部と実質的に電気接触している追加の金属箔を更に具備する請求項4に記載のコンデンサ。
- 前記コンデンサの箔の帯(250)と;
前記コンデンサの箔と実質的に同じ幅及び長さを有する追加の金属箔の帯と;をさらに具備し、
前記コンデンサの箔の帯及び前記追加の金属箔の帯は巻き付けられて実質的に小型のコンデンサコア形状を形成する請求項2に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサの箔の帯と;
前記コンデンサの箔と実質的に同じ幅及び長さを有する前記追加の金属箔の帯と;をさらに具備し、
前記コンデンサの箔の帯及び前記追加の金属箔の帯は巻き付けられて実質的に小型のコンデンサコア形状を形成する請求項5に記載のコンデンサ。 - 巻き付けられて実質的に小型のコンデンサコア形状を形成する前記コンデンサの箔の帯をさらに具備する請求項4に記載のコンデンサ。
- 第1の金属箔と;
反復可能スタックと;
を具備するコンデンサコアスタックを具備し、
前記反復可能スタックは所与数の箔対を含み、
前記箔対は
前記コンデンサの箔と;
追加の金属箔と;
を具備する請求項2に記載のコンデンサ。 - 第1の金属箔と;
反復可能スタックと;
を具備するコンデンサコアスタックを具備し、
前記反復可能スタックは所与数の箔対を含み、
前記箔対は
前記コンデンサの箔;及び
前記追加の金属箔
を具備する請求項5に記載のコンデンサ。 - 反復可能スタックを具備するコンデンサコアスタックを具備し、
前記反復可能スタックは所与数の前記コンデンサの箔を具備する
請求項4に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサコアの平面上に形成されている電気的接点により特徴づけられ、前記電気的接点は、
第1面上の前記追加の金属箔の縁を覆う第1の絶縁体;
第1面上に形成されている金属箔の縁との第1電気的接点;
第2面上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2面上に形成されている前記追加の金属箔の縁との第2電気的接点
を具備する請求項6に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサのコアの平面上に形成されている電気的接点により特徴づけられ、前記電気的接点は、
第1面上の前記追加の金属箔の縁を覆う第1絶縁体;
第1面上に形成されている前記金属箔の縁との第1電気的接点;
第2面上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2面上に形成されている前記追加の金属箔の縁との第2電気的接点
を具備する請求項7に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサのコアの平面上に形成されている電気的接点により特徴づけられ、前記電気的接点は、
第1面上の前記追加の導電層の縁を覆う第1絶縁体;
第1面上に形成されている前記金属箔の縁との第1電気的接点;
第2面上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2面上に形成されている前記追加の導電層の縁との第2電気的接点
を具備する請求項8に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサコアスタックはコンデンサコアピースに裁断され、
電気的接点は、前記コンデンサコアピースの2枚の平行な側上に形成されており;前記電気的接点は、
第1側上の前記追加の金属箔の縁を覆う第1絶縁体;
第1側上に形成されている前記金属箔の縁との第1電気的接点;
第2側上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2側上に形成されている前記追加の金属箔の縁との第2電気的接点
を具備する請求項9に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサコアスタックはコンデンサコアピースに裁断され、
電気的接点は前記コンデンサコアピースの2枚の平行な側上に形成されており、前記電気的接点は、
第1側上の前記追加の金属箔の縁を覆う第1絶縁体;
第1側上の前記金属箔の縁との第1電気的接点;
第2側上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2側上に形成されている前記追加の金属箔の縁との第2電気的接点
を具備する請求項10に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサコアスタックはコンデンサコアピースに裁断され、
電気的接点は前記コンデンサコアピースの2枚の平行な側上に形成されており、前記電気的接点は、
第1側上の追加の導電層の縁を覆う第1絶縁体;
第1側上に形成されている前記金属箔の縁との第1電気的接点;
第2側上の前記金属箔の縁を覆う第2絶縁体;及び
第2側上に形成されている前記追加の導電層の縁との第2電気的接点
を具備する請求項11に記載のコンデンサ。 - 前記誘電層の少なくとも一部はALD(原子層成長法)により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記誘電層の少なくとも一部は陽極酸化法により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記誘電層の一部は陽極酸化法により形成されており、
前記誘電層の一部はALD(原子層成長法)により形成されており;
ALD部分の厚みは前記誘電層の絶縁破壊電圧を実質的に増加させるように選択されることを特徴とする請求項18に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサの箔は電気的にバイアスされており;
電気的にバイアスされるとは、
前記金属箔と前記コンフォーマル導電膜との間に電位を印加することを含み;
前記電位は、前記誘電層の絶縁破壊電圧を増加させるように選択され;
前記コンデンサの静電容量は実質的に維持される
ことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサの箔は電気的にバイアスされており;
電気的にバイアスされるとは、
前記金属箔と前記コンフォーマル導電膜との間に電位を印加することを含み;
前記電位は、前記誘電層を通しての漏洩電流を減少させるように選択され;
前記コンデンサの静電容量は実質的に維持される
ことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 - 前記誘電層は電気的にバイアスされており;
電気的にバイアスされるとは、
前記金属箔と電解質との間に電位を印加することを含み;
前記電解質は、前記誘電層との電気的接点を提供し;
前記電位は、前記誘電層の絶縁破壊電圧を増加させるように選択され;
前記誘電層の厚みは実質的に増加しない
ことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 - 前記コンデンサの箔はPCB(プリント回路基板)上に実装され;
前記PCBは、電気的接点パッドを具備し;
実装とは、前記電気的接点パッドとの低ESR電気的接点を実質的に形成することを含み;
前記コンデンサの箔は、コンデンサを画定するように線引きされ;
画定されたコンデンサは所与静電容量を含み;
所与静電容量は、前記コンデンサの箔の面積及び画定されたコンデンサの面積あたりの静電容量により決定される
ことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 - コンデンサの箔はPCB(プリント回路基板)上に実装されており;
前記PCBは、電気的接点パッドを具備し;
前記実装は、前記電気的接点パッドとの低ESR電気的接点を実質的に形成することを含み;
前記コンデンサの箔はコンデンサを画定するべく線引きされており;
前記画定されたコンデンサは所与静電容量を含み;
前記所与静電容量は前記コンデンサの箔の面積及び前記画定されたコンデンサの面積あたりの静電容量によって決定される
ことを特徴とする請求項4に記載のコンデンサ。 - 前記金属箔はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記誘電層は酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記コンフォーマル導電膜は窒化チタンを含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。
- 大面積は、10倍よりも多い面積拡大を含む請求項1に記載のコンデンサ。
- 前記コンデンサの箔は、
両側に大面積を具備し;
前記誘電層は前記金属箔の両側に成長し;
前記コンフォーマル導電膜は前記コンデンサの箔の両側上の前記誘電層上に成長する
ことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 - 面積を増大させる不規則面を有する導電性箔を準備し、前記導電性箔の表面を酸化して誘電膜を形成することを含むコンデンサ加工方法であって、
前記誘電膜上に導電膜をコンフォーマル的に成長させてコンデンサの箔を形成し、
前記コンデンサの箔を包含させて前記コンデンサを仕上げる
ことを特徴とするコンデンサ加工方法。 - 前記コンデンサの箔を2つの面を有するコンデンサコアに巻き付け、
第1面上の前記大面積金属箔の縁を電気的に接触させ、
第2面上の前記導電膜の縁を電気的に接触させる
ことをさらに特徴とする請求項31に記載のコンデンサ加工方法。 - 前記コンデンサの箔をコンデンサコアスタックに積層させ、
前記コンデンサコアスタックを複数のコンデンサコアピースに裁断し、
前記コンデンサコアピース上の2つの平行な側を選択し、
第1側上の前記大面積金属箔の縁を電気的に接触させ、
第2側上の前記導電膜の縁を電気的に接触させる
ことをさらに特徴とする請求項31に記載のコンデンサ加工方法。 - 大きな表面積を有する基板を準備することを含む巨視的コンデンサを製造する方法であって、
原子層成長法を用いて前記基板上に誘電体又は導電体のコンフォーマル層を形成させ、
前記コンフォーマル層を包含させて前記巨視的コンデンサを仕上げる
ことを特徴とする方法。 - 前記コンフォーマル層の形成は、誘電性物質を形成することを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記誘電性物質は、AI2O3、ケイ素の酸化物、Ta2O5、HfO2、ZrO2、TiO2及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記コンフォーマル層の形成は、導電体を形成することを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記導電体は、TiN、銅、タングステン、ルテニウム及びこれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記仕上げは、個別の電気部品、ハイブリッド電気部品又は印刷回路基板の一部を仕上げることを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
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