JP4035121B2 - 内蔵型キャパシター用ポリマー／セラミック複合ペースト及びこれを利用したキャパシターの製造方法｛Ｐｏｌｙｍｅｒ／ｃｅｒａｍｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｓｔｅ ｆｏｒ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ｝ - Google Patents

内蔵型キャパシター用ポリマー／セラミック複合ペースト及びこれを利用したキャパシターの製造方法｛Ｐｏｌｙｍｅｒ／ｃｅｒａｍｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｓｔｅ ｆｏｒ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ｝ Download PDF

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Description

本発明は、内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペースト及びこれを利用したキャパシターの製造方法に関し、特に、高誘電常数を有し、スクリーン-プリンティングが可能な内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペースト及びスクリーン-プリンティング法を利用するキャパシターの製造方法に関する。
最近、電子製品の軽薄短小化と電気的高性能化に従って受動素子に対する関心が次第に増加している。その理由は、電子製品に使用される受動素子の数が能動素子の数に比べて遥かに多いからである。例えば、携帯用移動通信器機の場合、能動素子の個数に対する受動素子の個数の比が20を越しているという。このように多数の受動素子などが現在はその大部分が個別型部品(discrete component)の形態で基板の表面に実装されているので、基板の面積を多く占めるばかりでなく、電気的性能を低下させて製品の信頼性に問題を起こす可能性があることが知られている。
内蔵型受動(integral passive または embedded passive) 素子技術とは、既存の個別型受動素子を基板の表面から除去し多層構造基板の一つの層に形成して集積させることをいう。このようにすることによって、受動素子が占めた面積を減らしてチップの密度を高めることができ、素子間の接続の長さを短縮することによって寄生インダクタンス成分を減少させ電気的性能の向上を図ることができる。
このような受動素子の中でもキャパシターに対する関心が高い。その理由は、受動素子の中でもキャパシターが40%以上を占めているだけでなく、回路上でデカップリング(decoupling) キャパシターやバイパス(by-pass) キャパシターは重要な役割を果すからである。
一方、内蔵型キャパシターの候補材料中の一つであるポリマー/セラミック複合体は、ポリマーの優れた加工性とセラミックの高い誘電常数を結合したものである。このような材料を使用すると、200℃以下の工程温度の低コストでも比較的優秀な性能のキャパシターを形成することができる。特に、エポキシ／セラミック複合体の場合、現在、多く使用されているプラスチック印刷回路基板(Printed Circuit Board, PCB)との相互適合性が有るのでこれに対する種々の研究が進められている。
従来の一般的な内蔵型キャパシターは、基板の上に下部電極のための導電体領域をパターニングして、下部電極の全面に誘電体層を形成した後、 誘電体層上に上部電極のための導電体領域をパターニングすることによって形成される。しかしながら、このような方法は上部電極と下部電極の整列(alignment)の問題が発生する可能性があり、上部電極及び下部電極によって誘電体層の厚さが均一に形成されないという問題がある。また、回路基板のキャパシターの領域外の領域に高誘電率の誘電体層が形成されると信号伝送の際、電気的寄生成分が発生するので好ましくない。
従って、本発明が解決しようとする技術的課題は、キャパシターの誘電体層を均一な厚さで必要とする領域の部分にのみ形成することができる内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペースト及びこれを利用した内蔵型キャパシターの製造方法を提供することにある。
前記の技術的課題を解決するために、本発明の内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストは、有機溶媒と、前記有機溶媒に分散された粒径20μm以下のセラミック粉末と、ポリマーと、硬化剤を含有してなることを特徴とする。
この時、前記有機溶媒には分散剤、 消泡剤、カップリング剤及び/または粘度を低めるための別途の有機溶媒が更に含まれることが望ましい。
又、前記の技術的課題を解決するために、本発明の内蔵型キャパシターの製造方法は、上述した内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストと下部電極層が蒸着された基板を備える段階と、前記ポリマー/セラミック複合ペーストを前記下部電極層上にスクリーン-プリンティング法によって塗布する段階と、塗布された前記ポリマー/セラミック複合ペーストに加熱及び加圧することによって、前記ポリマー/セラミック複合ペーストを硬化させながら平坦化させる段階を含むことを特徴とする。
上述した本発明によるポリマー/セラミック複合ペーストを使用することによって、高誘電率の内蔵型キャパシターの誘電体を製作することができるので、 表面実装の個別型キャパシターに代えて、パッケージのサイズと重量を減らすことができると共に、接続の長さの短縮によって電気的性能が向上し、半田付けの接続が減ることによって機械的信頼性が向上される。
なお、本発明によるキャパシター製造方法によれば、上述のポリマー／セラミック複合ペーストをスクリーン-プリンティング法により塗布することによって、必要とする部分の局部に20μm以下の厚さを有するポリマー/セラミック複合誘電体層を形成することができるため、不要の部分にキャパシターが形成されることによって発生する電気的寄生成分を減らすことができると共に、本発明の前記ペーストを硬化させながら加圧することによって、平坦化された誘電体層を得ることができるのでキャパシターの誤差を減少させることができる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例における内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストの構造図であり、図2aないし図2dは、図1における内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用したキャパシターの製造方法を説明するための概略図である。
図1を参照すると、本発明の実施例における内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペースト(100)は基本的に有機溶媒と該有機溶媒に分散された粒径20μm以下の高誘電率セラミック粉末(111、112)とポリマー(120)及び硬化剤からなっている。
セラミック粉末(111, 112)としては、粒径が10nm〜10μmであり、誘電率が4以上である、BaTiO3(barium titanate)、PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate)、BST(barium strontium titanate) または PZT(lead zirconium titanate)が使用される。この時、高誘電率のセラミック粉末の含量は多いほど、製造されたペーストの誘電常数は増加するので、できるだけ多い含量が好ましいが、物理的限界があるため最大のセラミック粉末の含量は最大90vol%ほどである。 図1には粒径が異なる2種類のセラミック粉末が分散された状態を示している。
ポリマー(120)としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれのものも使用できるが、熱的安全性を考慮するとき、エポキシ、ポリイミド(polyimide)、BCB(Benzocyclo butane)、ポリアクリレート(poly acrylate) またはポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱硬化性樹脂を基本的に使用し、必要に応じて、熱可塑性樹脂を添加することができる。
硬化剤としては、DICY(dicyandiamide)またはポリマーカプセルによってコーティングされたイミダゾール(imidazole)のような常温で硬化が起こらない潜在性硬化剤が使用される。これは、一般硬化剤を使用する場合、常温で硬化が進行し、さらに経時的に粘度が変わるので作業性が悪く、保管性も劣るからである。
前記のように構成されたペーストの粘度及び揺変性(thixotropy)のようなさまざまな流動学(rheology)的特性のために、粉末の分散を促進する分散剤、ペースト材料内部の気泡を除去する消泡剤、セラミック粉末とポリマー間の界面特性を改善させるカップリング剤、または、粘度を低めるために添加される別途の有機溶媒を更にペーストに含めることができる。この時、前記の分散剤、消泡剤、カップリング剤及び別途の有機溶媒の総量は要求される流変動学的特性に従って0.01wt%〜50wt%ほどである。
次いで、上述したポリマー/セラミック複合ペーストの製造方法の実施態様について説明する。
まず、セラミック粉末(111, 112)を分散剤と一緒に有機溶媒に入れて分散させることによって懸濁液(suspension)を作製する。この際、必要に応じて、カップリング剤、消泡剤などの添加剤を加えることができると共に、使用される有機溶媒の量を適切に調整してペーストの粘度を調節することができる。なお、セラミック粉末の分散を促進するために超音波粉砕機、各種のボールミル及び混合機を使用することもできる。
次に、前記の懸濁液にポリマー(120)と硬化剤を入れてボールミルやミキサーを利用して混合することによってペースト(100)を製造する。
このように製造された高誘電率のポリマー/セラミック複合ペーストを使用することによって、内蔵型キャパシターの誘電体を製作することができるので、表面実装の個別型キャパシターに代えて、パッケージのサイズと重量を減らすことができると共に、接続の長さの短縮によって電気的性能が向上し、半田付けの接続が減ることによって機械的信頼性が向上される。
次いで、図2aないし図2dを参照して、前記の内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用した内蔵型キャパシターの製造方法について説明する。
まず、下部電極層(20)が形成された基板(10)と前記のポリマー/セラミック複合ペースト(100)をそれぞれ準備する。
次に、図2aのように誘電体層と同じ形状の穴がパターニングされたマスクを下部電極層(20)上に位置させて、マスク上面の一側にペースト(100)を滴下した後、スクリーン-プリンティング法、即ち、スキージーでペースト(100)を押し込めることによってマスクの穴を通じて下部電極層(20)上にペースト(100)が塗布されるようにする。次いで、マスクを取り除くとマスクのパターンと同様の形状のペースト(100)が下部電極層(20) 上に形成される。この時、使用されるマスクは、シルクマスクまたはメタルマスクが好適に使用される。次に、誘電体層(30)は前記ペースト(100)を固化させることによって形成される。形成される誘電体層(30)の厚さはペースト(100)の固形粉の含量とマスクの厚さによって決定されるが、高いキャパシタンスを得るためには、なるべくその厚さが20μm以下にならなければならないので、マスクの厚さは25〜100μm程度が好適である。本発明の実施例においては、スクリーン-プリンティング法でベースト(100)を塗布することによって望む部分の局部に20μm以下の厚さを有するポリマー/セラミック複合誘電体層(30)を形成することができる。 従って、望まない部分にキャパシターが形成されることによって発生する電気的寄生成分を減少させることができる。
一方、前記スクリーン-プリンティング法によって塗布形成された誘電体層(30)の形状を見ると、図2bのように、端部分の厚さが格段に厚くなる問題が発生する。特に、シルクマスクを使用する場合にはその程度がより大きい。従って、本発明においては、ペースト(100)の流動学的特性を適切に調節して流動性と平坦性を得るか、塗布されたペースト(100)を加熱及び加圧することによって塗布されたポリマー/セラミック複合ペーストを平坦化させる。一例を挙げれば、先ず、適切な温度まで加熱してペースト(100)の有機溶媒を除去し、より高い温度、例えば１８０〜２００℃まで加熱してポリマー(120)を硬化させる時、５０ｐｓｉ（３．４ａｔｍ）〜２００ｐｓｉ（１３．６ａｔｍ）の圧力を加えると図2cのように平坦化された誘電体層(30)を得ることができる。
次いで、ポリマー/セラミック複合材料からなる誘電体層(30)上に上部電極層(40)を形成すれば図2dのようなキャパシターが製造される。
本発明の実施例に係る内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストの構造図。 図1に係る内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用したキャパシターの製造方法を説明するための概路図。 図1に係る内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用したキャパシターの製造方法を説明するための概路図。 図1に係る内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用したキャパシターの製造方法を説明するための概路図。 図1に係る内蔵型キャパシター用ポリマー/セラミック複合ペーストを利用したキャパシターの製造方法を説明するための概路図。
符号の説明
10；基板 20；下部電極層
30；誘電体層40；上部電極層
100；ペースト 111,112；セラミック粉末
120；ポリマー

Claims (1)

  1. セラミック粉末を分散させるための有機溶媒と、粘度を低下させるための別途の有機溶媒とを含有する有機溶媒と；前記有機溶媒に分散された粒径が１０ｎｍ〜１０μｍであり、誘電率が４以上であるセラミック粉末と；ポリマー及び潜在性硬化剤と；分散剤、消泡剤、及びカップリング剤を含み、前記分散剤、消泡剤、カップリング剤、及び粘度を低下させるための別途の有機溶媒の含量が０．０１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である内蔵型キャパシター用ポリマー／セラミック複合ペースト（但し、高誘電率充填剤と、該高誘電率充填剤よりも沈降速度が小さい充填剤とを含む樹脂組成物を除く）と下部電極層が蒸着された基板を備える段階と、
    パターニングされたマスクを利用して前記ポリマー／セラミック複合ペーストを前記下部電極層上にスクリーン-プリンティング法で塗布する段階と、
    前記塗布された前記ポリマー/セラミック複合ペーストに１８０〜２００℃の温度で加熱し、３．４〜１３．６ａｔｍの圧力で加圧して、前記ポリマー/セラミック複合ペーストを硬化させながら平坦化させる段階を含む内蔵型キャパシターの製造方法。
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