JP2017135376A - 薄膜キャパシタ及び電子回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板に実装された状態で効率良く熱を排出することができる薄膜キャパシタと、それを組み込んだ電子回路モジュールとを提供すること。【解決手段】第一電極層と、前記第一電極層に対向する第二電極層を備え、第一電極層は、第二電極層に対向する側に対向面を有し、第一電極層と第二電極層の間に誘電体層を備え、第一電極層は第二電極層の方向に略矩形の第一電極層凸部を備え、第二電極層は第一電極層の方向に略矩形の第二電極層凸部を備え、第一電極層凸部と第二電極層凸部は、誘電体層を介して、対向面の一の面内方向に沿って見たときに交互に配置されており、第一電極層凸部の底部と側面の交点間の距離をＬ３とし、隣り合う第一電極層凸部の上端最頂部と側面の交点間の距離をＬ４としたときに、Ｌ３＞Ｌ４の関係にあることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は薄膜キャパシタとそれを用いた電子回路モジュールに関する。

電子機器の精密化の要請に対して電子部品を一体に組み込んだモジュールを提供する技術が提示されている。この技術では、電子機器に用いられるキャパシタの小型化、大容量化の強い要請がある。キャパシタ小型化の技術として薄膜キャパシタが提案されている。さらに、薄膜キャパシタの単位面積当たりの容量を上げるため電極を凸状に形成した、所謂トレンチ型薄膜キャパタシタが提案されている。（特許文献１参照。）

電子機器の精密化モジュール中に熱源となる能動素子が組み込まれる場合、モジュールの放熱冷却の工夫が必要となる。例えば、特許文献２に開示の技術はバンプの形状を最適化することで放熱を効率化する技術を提案している。

特開２００９−１０３７１号公報 特開２０１４−６７８１９号公報

モジュールに組み込む薄膜キャパシタを上述のトレンチ型とすることは、小型化の観点から好ましい。しかし本発明者らは、トレンチ型の薄膜キャパシタをモジュールに組み込む場合、これまで提案されている放熱手段が十分でないことを見出した。当初、本発明者らは、薄膜キャパシタをトレンチ型にすると薄膜キャパシタの占有面積当たりの電極対向面積が増加することから、薄膜キャパシタの熱伝導性は向上すると予想していた。このような予想とは逆の結果（課題）が見いだされたことの原因は明確ではないが、本発明者らは以下のように考察している。（１）熱伝導に寄与しない誘電体層の容積が薄膜キャパシタの単位占有面積当たりで増加すること、（２）トレンチ型の凸状部分の側面では誘電体層の熱伝導が面内方向に行われ誘電体厚みより長距離の伝達を強いられること、の二点である。多くのモジュールはキャパシタの占有容積が大きいため、トレンチ型の薄膜キャパシタを組み込んでもモジュールの放熱効率を確保できる、何らかの手段が必要である。

本発明は上記問題を解消するためになされたものであって、優れた熱伝導性を有する薄膜キャパシタと、それを組み込んだ電子回路モジュールとを提供することを課題とする。

本発明の薄膜キャパシタは、第一電極層と、前記第一電極層に対向する第二電極層を備え、第一電極層は、第二電極層に対向する側に対向面を有し、第一電極層と第二電極層の間に誘電体層を備え、第一電極層は第二電極層の方向に略矩形の第一電極層凸部を備え、第二電極層は第一電極層の方向に略矩形の第二電極層凸部を備え、第一電極層凸部と第二電極層凸部は、誘電体層を介して、対向面の一の面内方向に沿って見たときに交互に配置されており、第一電極層凸部の底部と側面の交点間の距離をＬ３とし、隣り合う第一電極層凸部の上端最頂部と側面の交点間の距離をＬ４としたときに、Ｌ３＞Ｌ４の関係にあることを特徴とする。

これにより、優れた熱伝導性を有し、プリント基板に実装された状態で効率良く熱を排出することが出来る薄膜キャパシタが得られる。

ここでＬ３及びＬ４の寸法の定義について詳しく説明する。図２は、第一電極層凸部と、誘電体層と、第二電極層凸部の断面図である。図２のように第一電極層凸部は略矩形の形状をしている。第一電極層凸部の上端最頂部２１と第一電極層凸部の側面２２の交点間の距離をＬ１とする。また、第一電極層凸部の底部２３と第一電極層凸部の側面２２の交点間の距離をＬ３とする。また、第一電極層凸部の上端最頂部２１と第一電極層凸部の底部２３の中間の高さの側面間の距離をＬ２とする。また、隣合う第一電極層凸部の上端最頂部２１と第一電極層凸部の側面２２の交点間の距離をＬ４とする。また、隣合う第一電極層凸部の底部２３と第一電極層凸部の側面２２の交点間の距離をＬ６とする。また、隣合う第一電極層凸部の上端最長部２１と第一電極層凸部の底部２３の中間の高さの側面間の距離をＬ５とする。

また、本発明の薄膜キャパシタは、Ｌ４＞Ｌ５の関係にあっても良い。

これにより、薄膜キャパシタの熱伝導性はさらに良好になり、プリント基板に実装された状態でより効率良く熱を排出することが出来る薄膜キャパシタが得られる。

さらに、本発明の薄膜キャパシタは、Ｌ２＞Ｌ３の関係にあっても良い。

これにより、薄膜キャパシタの熱伝導性はさらに良好になり、プリント基板に実装された状態でより効率良く熱を排出することが出来る薄膜キャパシタが得られる。

また、本発明の電子回路モジュールは、上記の薄膜キャパシタと、能動素子と、が金属箔を介して対向しており、能動素子は薄膜キャパシタの第一電極層側に実装されている態様としても良い。これにより、放熱効率が高められた電子回路モジュールが得られる。

本発明により、優れた熱伝導性を有し、プリント基板に実装された状態で効率良く熱を排出することができる薄膜キャパシタと、それを組み込んだ電子回路モジュールが得られる。

本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの一部である第一電極層凸部と、誘電体層と、第二電極層凸部との断面を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタを組込んだモジュールの断面模式図である。 本発明の薄膜キャパシタに係る製造例の、第二の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図である。 本発明の薄膜キャパシタに係る製造例の、第三の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図である。 本発明の薄膜キャパシタに係る製造例の、第五の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図である。

以下、本発明を実施するための好適な形態を説明する。ただし、本発明の技術的思想は以下の実施形態に限定されない。

（薄膜キャパシタ）
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。キャパシタ１Ａ（薄膜キャパシタ）は、基板３上に設けられた第一電極層５と、第一電極層５の上面（表面）に成膜された誘電体層６と、誘電体層６を挟むようにして第一電極層５の上側に設けられた第二電極層７と、を備えている。キャパシタ１Ａは、誘電体層６の静電容量により電荷を蓄えたり、放出したりする受動素子である。

第一電極層５は、平坦な基板３上に積層された底面電極層９と、底面電極層９の上面（表面）に積層された中間電極層１０と、中間電極層１０の上面に設けられた電極パッド接続部１１と、を備える。

底面電極層９は、導電性の金属材料、例えばＣｕやＮｉなどからなる被膜であり、めっき法によって形成される。また、電極パッド接続部１１は、導電性の金属材料、例えばＣｕやＮｉなどからなり、中間電極層１０の上面の端に設けられ、電極パッド１２が取り付けられている。

中間電極層１０は、下部通電領域１３と、第一電極層凸部１４と、を備える。中間電極層１０は、底面電極層９の上面に積層された導電性の金属材料、例えばＣｕやＮｉなどからなり、電極パッド接続部１１に接続された下部通電領域１３と、誘電体層６によって覆われた第一電極層凸部１４とを有する。第一電極層凸部１４は、断面が略矩形状であり、底面電極層９上に複数離間して設けられる。

誘電体層６は、第一電極層５の上面側に形成することができる。誘電体層６は、酸化アルミニウム（ＡＬ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、などの公知の材料を好適に用いることができる。特に、ＨｆＯ_２は絶縁体圧の観点から好ましい。

第二電極層７は、電極パッド１８が取り付けられる上部通電領域１９と、第一電極層凸部１４に重なるように配置された第二電極層凸部２０と、を備える。第二電極層凸部２０は、隣合う第一電極層凸部１４の間に形成された隙間を埋めるように複数形成されており、凹凸状の誘電体層６を介して、底面電極層９に重なるように設けられている。第二電極層７は、導電性の金属材料、例えばＣｕやＮｉなどからなり、めっき法によって容易に形成することができる。

上部通電領域１９は、誘電体層６を介して基板３上に設けられている。

上記の構成を有することで、キャパシタ１Ａの第一電極層５は、第二電極層７に対向する側に対向面（底面電極層９の延在方向に沿った面であって、底面電極層９及び第一電極層凸部１４の上端最頂部２１により構成される面）を有している。また、第一電極層凸部１４と、第二電極層凸部２０とは、誘電体層６を介して、対向面の一の面内方向（例えば、図１で示す左右方向）に沿って交互に配置されている。

図３に、本実施形態の薄膜キャパシタを実装した電子回路モジュール２７Ａの断面模式図を示す。キャパシタ１Ａは銅箔２５上（図３では銅箔２５の下方）に実装され、絶縁材料による絶縁層２８で埋められていることで、実装基板を形成する。図３の電子回路モジュール２７Ａでは、キャパシタ１Ａと銅箔２５との間に薄い絶縁層２８が介在しているが、キャパシタ１Ａを銅箔２５の上に直接配置してもよい。ＩＣ２４（能動素子）は、この実装基板の銅箔２５の上に搭載され、封止樹脂２９で埋められている。ＩＣ２４の搭載は、図３のようにＩＣ２４の端子が銅箔２５の側にあるよう搭載することができる。すなわち、キャパシタ１ＡとＩＣ２４とは金属箔を介して対向している状態となる。また、銅箔２５と接続すると共に絶縁層２８を貫通するようにビア導体が形成され、ビア導体の先端に下側の外方に突出するハンダバンプ２６が設けられる。キャパシタ１Ａの第一電極層側がＩＣ２４側にある場合、ＩＣ２４から発生した熱は金属箔（銅箔２５）を経てキャパシタ１Ａの第一電極層からキャパシタ１Ａ内に入り、第二電極層を通って外部へ排出される。ＩＣ２４の端子が銅箔２５の側にある場合、ＩＣ２４の端子も熱の排出経路として機能させることができる。

ここで、第一電極層凸部１４の底部２３において、底部２３と第一電極層凸部１４の一方側の側面２２との交点と、底部２３と第一電極層凸部１４の他方側の側面２２との交点と、の間の距離をＬ３とする（図２参照）。また、隣合う第一電極層凸部１４のうちの一方側の第一電極層凸部１４における上端最頂部２１と第一電極層凸部の側面２２の交点と、他方側の第一電極層凸部１４における上端最頂部２１と第一電極層凸部の側面２２の交点との間の距離をＬ４とする（図２参照）。上記のように第一電極層５から第二電極層７に向かって熱勾配が存在する場合、Ｌ３＞Ｌ４とすることで、底面電極層９からの熱を効率良く第一電極層凸部１４に伝えることができる。これにより電子回路モジュール２７Ａの冷却効率を高めることができる。

また、隣合う第一電極層凸部１４のうちの一方側の第一電極層凸部１４における上端最頂部２１と底部２３との中間の高さの側面２２と、他方側の第一電極層凸部１４における上端最頂部２１と底部２３との中間の高さの側面２２と、の距離をＬ５とする（図２参照）。このとき、Ｌ４＞Ｌ５とすることで、第二電極層凸部２０からの熱を効率良く実装基板へ伝えることができる。これにより電子回路モジュール２７Ａの冷却効率をさらに高めることができる。

また、第一電極層凸部１４の上端最頂部２１と底部２３との中間の高さにおいて、対向する側面２２間の間の距離をＬ２とする（図２参照）。このとき、Ｌ２＞Ｌ３とすることで第一電極層凸部１４からの熱を効率よく第二電極層凸部２０へ伝えることができる。これにより電子回路モジュール２７Ａの冷却効率をさらに高めることができる。

次に、図４〜図６を参照しつつ、本実施形態に係る薄膜キャパシタの一つの製造例を説明する。ここで、図４〜図６は、本製造例のある工程で得られた薄膜キャパシタの断面模式図である。

（第一の工程）
本製造例の第一の工程は、底面電極層９を形成する工程を例示する。まず、基板３の上にシード電極膜（図示せず）を形成し、めっき法によって基板３上にＣｕやＮｉなどからなる底面電極層９を形成する。シード電極膜はスパッタリング法、蒸着法等の各種薄膜作成技術を適宜選択して用いることができる。また、底面電極層９は、必ずしも本製造例のようにシード電極膜を用いためっき法により形成する必要は無く、スパッタリング法、蒸着法等の各種薄膜作成技術により底面電極層９を一体で形成してもよい。

（第二の工程）
本製造例の第二の工程は、下部通電領域１３および第一電極層凸部１４からなる中間電極層１０を形成する工程を例示する。まず、底面電極層９の上面にフォトレジストを塗布した上で、所定のフォトマスクを用いたパターニングを行い、底面電極層９の上面に中間電極層１０に対応する所定の形状、例えば、下部通電領域１３および第一電極層凸部１４に対応した形状に露出させるレジストパターンを形成する。そして、そのレジストパターンをマスクにして、めっき法によって底面電極層９の上面にＣｕまたはＮｉなどの導電性の金属材料を積層して中間電極層１０を形成する。この場合、少なくとも第一電極層凸部１４の高さｄは６〜１０μｍ程度であることが望ましい。その後、中間電極層１０を形成するために利用したレジストパターンを除去する。図４に、本製造例の第二の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図を示す。

第二の工程において、レジストパターンの形状をさまざまな方法で調整し、得られる第一電極層凸部１４の寸法Ｌ１〜Ｌ６を所定の範囲に定めることができる。例えば、所望の第一電極層凸部１４の高さに合わせたレジストパターンを形成する際に露光条件を調整してレジストパターンの高さ方向について幅を徐々に変化させ、所望のＬ１〜Ｌ６の寸法に応じた形状の型とする方法がある。あるいは、レジストパターンを所定の温度でキュアし、レジストパターンの幅を高さ方向の中央部分で縮小させ、所望のＬ１〜Ｌ６の寸法に応じた形状の型とする方法であってもよい。

（第三の工程）
本製造例の第三の工程は、誘電体層６を形成する工程を例示する。誘電体層６の形成領域を規定する方法として、第二の工程で得られた中間電極層１０にフォトレジストを塗布した後、所定のフォトマスクを用いたパターニングを行い、誘電体層６に対応する所定の形状に露出させたレジストパターンとして形成する方法が例示できる。この後、誘電体層６をレジストパターンで被覆されていない部分に成膜する。誘電体層６は、酸化アルミニウム（ＡＬ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、などの公知の材料を好適に用いることができる。特に、ＨｆＯ_２は絶縁体圧の観点から好ましい。誘電体層６の形成方法は、アトミックレイヤーデポジション（ＡＬＤ）法や、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等を適宜選択して用いることができる。誘電体層６の厚みは、３００〜２０００Åとすることができる。誘電体層６の成膜後、レジストパターンを除去すると、レジストパターンに応じた形状の誘電体層６を容易に形成することができる。図５に、本製造例の第三の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図を示す。

（第四の工程）
本製造例の第四の工程は、下部通電領域１３の上面にコンタクトホールを形成する工程を例示する。下部通電領域１３の上面に形成された誘電体層６の表面に、コンタクトホールを形成するためのレジストパターンを形成する。その後、ＩＢＥ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によってコンタクトホールを形成することができる。第四の工程はイオンミリング法を用いてもよい。

（第五の工程）
本製造例の第五の工程は、第二電極層（第二電極層凸部２０、上部通電領域１９）および電極パッド接続部１１を形成する工程を例示する。まず、誘電体層６及び下部通電領域１３の上面に、シード電極膜（図示せず）を形成する。次に、シード電極膜の上にフォトレジストを塗布し、所定のフォトマスクを用いたパターニングを行い、第二電極層７に対応する領域を露出させたレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンの開孔部分にめっき法によってＣｕまたはＮｉからなる導電性の金属材料を堆積させ、厚みが１０μｍ程度の第二電極層７を形成することができる。

上記の工程では、電極パッド接続部１１が、第二電極層７と同時に下部通電領域１３の上に形成される。この電極パッド接続部１１は、中間電極層１０と電気的に接続されている。この結果、底面電極層９と、中間電極層１０と、電極パッド接続部１１とからなる第一電極層５が形成される。なお、電極パッド接続部１１と第二電極層７とは、絶縁材料部（図示せず）を介して絶縁されていることが好ましい。図６に、本製造例の第五の工程直後の薄膜キャパシタの断面模式図を示す。

（第六の工程）
本製造例の第五の工程は、本実施形態に係るキャパシタ１Ａの電気接続を完成させる工程を例示する。電極パッド接続部１１に電極パッド１２を取り付け、第二電極層７の上部通電領域１９に電極パッド１８を取り付ける。この工程を経て、キャパシタ１Ａが完成する。

本実施形態の薄膜キャパシタは、第一電極層５から第二電極層７に向かって熱勾配が存在する場合、第一電極層凸部１４、第二電極層凸部２０の幅をＬ３＞Ｌ４とすることで、底面電極層９からの熱を効率良く第一電極層凸部１４に伝えることができる。これによりキャパシタ１Ａの冷却効率を高めることができる。さらに、第一電極層凸部１４の幅をＬ２＞Ｌ３とすることで第一電極層凸部１４からの熱を効率よく第二電極層凸部２０へ伝えることができる。これによりキャパシタ１Ａの冷却効率をさらに高めることができる。さらに、第二電極層凸部の幅をＬ４＞Ｌ５とすることで、第二電極層凸部２０からの熱を効率良く実装基板へ伝えることができる。これによりキャパシタ１Ａの冷却効率をさらに高めることができる。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに説明する。

実施形態において説明した製造例により薄膜キャパシタを作製した。第一電極層、第二電極層はＣｕで、誘電体層はＡＬ_２Ｏ_３で、それぞれ形成した。実施例１〜３および比較例１、２のＬ１〜Ｌ６の寸法は作製後の断面電子顕微鏡観察により測定した。これらの測定結果を表１に示す。

各例の薄膜キャパシタは、具体的には以下の手順で作成した。Ｃｕ箔を準備し、Ｃｕ箔上にディスペンサを用いて実装用材料を所望の間隔で塗布した。次にＣｕ箔上の実装用材料の位置に上記キャパシタを実装し、リフローにより電気的及び機械的に接続した。次に上記キャパシタを実装したＣｕ箔上に絶縁材料とＣｕ箔を重ね合せ、高温高圧条件下で熱プレスをかけて一体化させ、上記キャパシタを埋め込んだ。次に所望の位置に貫通穴を形成し、ＴＳＶを形成した。さらにＣｕ箔の裏面側にはＩＣを実装し、封止樹脂でその表面を覆った。

セラミック基板上に上記モジュールを実装した状態で基板の表面の通電用表層配線層にプローブを当て、直流電源装置（菊水電子工業製「ＰＭＣ１８−３Ａ」）により長時間通電した後に、基板表面の温度測定用の表層配線層上の温度を測定した。温度測定には、非接触式の放射温度計（キーエンス製「ＦＴ−Ｈ１０」）を用いた。

表２に実施例１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例２の長時間駆動時のモジュールの温度を示す。表１から分かるように実施例１〜３は比較例１、比較例２に比べて連続駆動におけるキャパシタの温度上昇が小さいことが分かった。また、実施例３が１００時間の連続駆動において最もモジュールの温度が低いことが分かった。このことから、実施例３のキャパシタは最も効率良く熱を排出していることが分かった。

以上、実施例および比較例を通じて、本発明の実施により得られる薄膜キャパシタは、優れた熱伝導性を有するものであることが明らかになった。

１Ａ・・・キャパシタ
３・・・基板
５・・・第一電極層
６・・・誘電体層
７・・・第二電極層
９・・・底面電極層
１０・・・中間電極層
１１・・・電極パッド接続部
１２・・・電極パッド
１３・・・下部通電領域
１４・・・第一電極層凸部
１８・・・電極パッド
１９・・・上部通電領域
２０・・・第二電極層凸部
２１・・・上端最頂部
２２・・・側面
２３・・・底部
２４・・・ＩＣ
２５・・・銅箔
２６・・・ハンダバンプ
２７Ａ・・・電子回路モジュール
２８・・・絶縁材料
２９・・・封止樹脂

Claims (4)

1. 第一電極層と、前記第一電極層に対向する第二電極層を備え、
   前記第一電極層は、前記第二電極層に対向する側に対向面を有し、
   前記第一電極層と前記第二電極層の間に誘電体層を備え、
   前記第一電極層は前記第二電極層の方向に略矩形の第一電極層凸部を備え、
   前記第二電極層は前記第一電極層の方向に略矩形の第二電極層凸部を備え、
   前記第一電極層凸部と前記第二電極層凸部は、前記誘電体層を介して、前記対向面の一の面内方向に沿って見たときに交互に配置されており、
   前記第一電極層凸部の底部と側面の交点間の距離をＬ３とし、
   隣り合う前記第一電極層凸部の上端最頂部と側面の交点間の距離をＬ４としたときに、
   Ｌ３＞Ｌ４の関係にあることを特徴とする薄膜キャパシタ。
2. 隣り合う前記第一電極層凸部の上端最頂部と側面の交点間の距離をＬ４とし、
   隣り合う前記第一電極層凸部の上端最頂部と底部の中間の高さの側面間の距離をＬ５としたときに、
   Ｌ４＞Ｌ５の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタ。
3. 前記第一電極層凸部の上端最頂部と底部の中間の高さの側面間の距離をＬ２とし、
   前記第一電極層凸部の底部と側面の交点間の距離をＬ３としたときに、
   Ｌ２＞Ｌ３の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタ。
4. 少なくとも請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタと、能動素子と、が金属箔を介して対向しており、
   前記能動素子は前記薄膜キャパシタの前記第一電極層側に実装されている電子回路モジュール。