JP4293437B2 - キャパシタ内蔵基板及び電子回路用キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタ内蔵基板及び電子回路用キャパシタに関するものである。

近年、電子機器においては小型薄型化及びデータ処理の高速化のために、動作周波数の高周波化が求められており、半導体部品においては大幅に進展している。しかし、これらの半導体部品を実装して回路基板を構成する段階で、回路基板を高密度ファインパターン化すると、配線抵抗の増大、信号パターンの接近による寄生容量の増大を来し、そのためクロストークノイズの発生、発熱、消費電力増大などの回路特性の悪化を来し、小型化・高速化の障害になっている。そこで、実装スペースの削減及び高密度化により小型薄型化を実現し、かつ部品間の最短距離接続により低ノイズ化及び回路特性の改善を実現できるように、電子回路部品を基板の中に形成した部品内蔵基板が求められ、種々の構成例が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような部品内蔵基板の構成例を図６を参照して説明すると、部品内蔵基板１０１は、絶縁性基板１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを積層して構成されている。この部品内蔵基板１０１は、その外面及び内部に配線パターン１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄが形成されるとともに適宜にインナービア１０３にて相互に接続されており、かつ表面印刷抵抗１０４、内蔵キャパシタ１０５、内蔵抵抗１０６、表面実装ＩＣチップ１０７、１０８などが配設されて配線パターン１０２ａ〜１０２ｄに接続されている。

内蔵キャパシタ１０５としては、図７に示すように、薄いフィルムコンデンサ１１０を埋め込んだもの、図８に示すように、内部電極１１１、１１２間に誘電体１１３を重ねたもの、図９に示すように、チップ型のセラミックコンデンサ１１４を埋め込んだものなどが考えられている。

なお、支持部材上に形成された電極上にカーボンナノチューブなどの針状の冷陰極部材を二次元アレイ状に配設して保持部材で保持して成る電子放出素子が知られている（特許文献２参照。）。
特開平１１−２２０２６２号公報 特開２０００−２０８０２８号公報

ところで、図６に示したような部品内蔵基板１０１における内蔵キャパシタ１０５とし
て、図７に示すようなフィルムコンデンサ１１０を内蔵した場合は薄くできるが、誘電率が小さく、容量が小さいため、所望の容量値を得ることが困難で、部品内蔵基板１００の発展の阻害要因となっている。また、図８に示すように内部電極１１１、１１２と誘電体１１３を多層に重ねてキャパシタを構成すると、所望の容量は確保できても、構造が複雑になり、製造面、コスト面で現実的でないという問題がある。また、図９に示すようにチップ型のセラミックコンデンサを１１４をそのまま内蔵させると、基板自体が厚くなり、部品内蔵基板１００を構成する意味が失われてしまうという問題がある。

なお、特許文献２に開示された技術は、冷陰極部材にカーボンナノチューブを用いた電子放出素子に関するものであり、部品内蔵基板におけるキャパシタの容量増大に係る技術に示唆を与えるものではない。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、薄型で高容量のキャパシタを有するキャパシタ内蔵基板及び薄型で高容量の電子回路用キャパシタを提供することを課題とする。

本発明のキャパシタ内蔵基板は、複数の絶縁性基板を積層して成る多層構造の基板内に、導電体層上に多数のカーボンナノチューブを配設して成る一対の電極をそのカーボンナノチューブを対向させかつ相互間に隙間をあけて配置し、電極のカーボンナノチューブ配置部の周縁部を絶縁性密封体を挟んで接合し、絶縁性密封体によって囲まれる内部に、液体誘電体を封入すると共に、一対の前記導電体層間の間隔を保持するためのスペーサを配設して成るキャパシタを内蔵させたものである。

この構成によると、導電体層上に多数のカーボンナノチューブを配設した電極を用いていることで、一対の電極を液体誘電体を介して対向配置した単層構成にて、電極の表面積を大幅に増大して容量を大きくでき、薄型でかつ容量の大きいキャパシタを有するキャパシタ内蔵基板を提供することができる。

また、本発明の電子回路用キャパシタは、導電体シート上に多数のカーボンナノチューブを配設して成る一対の電極をそのカーボンナノチューブを対向させかつ相互間に隙間をあけて配置し、電極のカーボンナノチューブ配置部の周縁部を絶縁性密封体を挟んで接合し、絶縁性密封体によって囲まれる内部に、液体誘電体を封入すると共に、一対の前記導電体シート間の間隔を保持するためのスペーサを配設したものである。

この構成によると、導電体シート上に多数のカーボンナノチューブを配設した電極を用いていることで、一対の電極を液体誘電体を介して対向配置した単層構成にて、電極の表面積を大幅に増大して容量を大きくでき、薄型でかつ容量の大きいキャパシタを得ることができる。

また、カーボンナノチューブが導電体シートの表面に略垂直に配置された構成とすると、表面積がより大きく増大することができ、微小なスペースで大きな表面積を確保できて好適である。

また、カーボンナノチューブを電気泳動法などを利用して印加電界の方向に配列させ、その基端部を保持部材を通して導電体シートに当接させるなどの工法にて、カーボンナノチューブの基端部が導電体シート上の保持部材に挿入されて固定されていると、カーボンナノチューブが安定した状態で導電体シートに接続されるので好適である。

また、保持部材が、エネルギー付加によって原子間結合が解離するとともに硬化処理可能な部材であると、カーボンナノチューブを配列する前にエネルギー付加によって原子間
結合を解離させ、配列後硬化処理することで生産性良く保持固定できて好適である。

本発明によれば、導電体層上に多数のカーボンナノチューブを配設した電極を用いていることで、一対の電極を液体誘電体を介して対向配置した単層構成にて、電極の表面積を大幅に増大して容量を大きくでき、薄型でかつ容量の大きいキャパシタを有するキャパシタ内蔵基板及び電子回路用キャパシタを得ることができる。

以下、本発明の一実施形態のキャパシタ内蔵基板について、図１〜図３を参照して説明する。

図１において、部品内蔵基板１は、複数の絶縁性基板１ａ、１ｂ、１ｃを一体的に積層して構成され、中間の絶縁性基板１ｂの一部にキャパシタ２が構成されている。絶縁性基板１ａ、１ｃの外面側及び互いに対向する内側面には、それぞれ導電体層３、４が形成されており、かつキャパシタ２の配設部の内側面には、このキャパシタ２の電極を構成する導電体層５ａ、５ｂが形成されている。また、これら導電体層３、４、５ａ、５ｂは絶縁性基板１ａ、１ｂ、１ｃに貫通形成されたインナビア６にて適宜に相互に接続されている。

キャパシタ２の電極を構成する一対の導電体層５ａ、５ｂの対向面上にはその表面に対して略垂直に起立した状態で多数の微小棒状導電部材としてのカーボンナノチューブ７が生成されている。導電体層５ａ、５ｂは、カーボンナノチューブ７の先端間に隙間があくように配置され、かつ導電体層５ａ、５ｂのカーボンナノチューブ７の配置部の周縁部が絶縁性密封体８を挟んで接合され、この絶縁性密封体８にて囲まれた空間の内部に液体誘電体９が封入されている。

液体誘電体９としては、純水、エチレン、純水とエチレングリコールの混合物、ｎ−ヘキサンなどが好適に用いられる。

カーボンナノチューブ７として、例えば図２に示すように、導電体層５ａ、５ｂの上に直径Ｄ＝１０〜２０ｎｍ、長さＬがほぼ１００ｎｍ程度のものを、配置ピッチ（中心距離）＝３０ｎｍ程度で生成すると、表面積が導電体層５ａ、５ｂの約６倍となり、両面で１２倍になる。このようなカーボンナノチューブ７は、例えば陽極酸化膜中に規則正しく配設された細孔の中に析出させた金属触媒の触媒作用を利用して生成することができる。

また、図３に示すように、導電体層５ａ、５ｂ間に柱状スペーサ１０ａや球状スペーサ１０ｂなどのスペーサを介装しており、これにより、対向するカーボンナノチューブ７、７の先端間の隙間を精度良く一定に保持することができ、容量特性の安定性を確保することができる。

以上の本実施形態の部品内蔵基板１によれば、導電体層５ａ、５ｂ上に多数のカーボンナノチューブ７を配設した電極を用いて構成したキャパシタ２を内蔵しているので、一対の電極が液体誘電体９を介して対向配置した単層構成でありながら、電極表面積を大幅に増大した大容量のキャパシタ２を構成でき、薄型でかつ容量の大きいキャパシタ２を有する部品内蔵基板１を得ることができる。

上記実施形態の説明では、導電体層５ａ、５ｂにカーボンナノチューブ７を生成させる例を説明したが、上記特許文献２（特開２０００−２０８０２８号公報）に開示されているように、別途に製造された所定長さの多数のカーボンナノチューブ７を電気泳動法など
を利用して導電体層５ａ、５ｂに対して垂直方向に形成した印加電界の方向に配列させ、図４に示すように、カーボンナノチューブ７を二次元アレイ状に配置してその基端部を保持部材１１を通して導電体層５ａ、５ｂの表面上に当接させて固定することもできる。そうすると、カーボンナノチューブ７を安定した状態で導電体層５ａ、５ｂに接続・固定することができて安定した容量特性が得られ、しかも導電体層５ａ、５ｂの表面上に多数のカーボンナノチューブ７を突出させたキャパシタ２の電極を生産性良く構成することができるという利点がある。

この保持部材１１によるカーボンナノチューブ７の保持・固定に際しては、保持部材１１として、ポリシランなど、光照射などのエネルギー付加によって原子間結合が解離するとともに、酸素雰囲気中での加熱処理によって硬化処理可能な部材を用いるのが好適である。この場合、カーボンナノチューブ７の二次元アレイ状の配置に対応する開口を形成したマスクを通して保持部材１１に光照射を行って原子間結合を解離させ、その解離した部分に電気泳動法などを利用してカーボンナノチューブ７の基端部を挿入させ、その後保持部材１１を硬化させる保持・固定方法が好適である。また、この保持・固定方法によれば、カーボンナノチューブ７の配設状態を、マスクによって任意に制御することができる利点がある。

上記実施形態の説明では、導電体層５ａ、５ｂに生成若しくは保持固定したカーボンナノチューブ７、７の先端同士を間隙をあけて対向配置した例を図示したが、図５に示す参考例のように、一方の導電体層５ａに配設したカーボンナノチューブ７、７・・・の間に、他方の導電体層５ｂに配設したカーボンナノチューブ７、７・・・が入り込み、これらのカーボンナノチューブ７、７間及びカーボンナノチューブ７の先端と導電体層５ａ、５ｂとの間に液体誘電体９が充填されたほぼ均等な隙間が形成されるようにすると、一層表面積を増大することができ、容量の大きいキャパシタを構成できる。

以上の実施形態の説明では、キャパシタ２を内蔵した部品内蔵基板１についてのみ説明したが、本発明は部品内蔵基板１に限らず、単独の電子回路用部品としてのキャパシタに適用することができ、そうすると電極の表面積を飛躍的に増大できるため、小型・薄型で大容量のキャパシタを得ることができる。

本発明に係るキャパシタは、導電体層上に多数のカーボンナノチューブを配設した電極を用いていることで、一対の電極を液体誘電体を介して対向配置した単層構成にて、電極の表面積を大幅に増大して容量を大きくできるので、薄型でかつ容量の大きいキャパシタを有するキャパシタ内蔵基板及び単独の電子回路用部品としてのキャパシタに有用である。

本発明の一実施形態の部品内蔵基板の構成を示す模式断面図である。 同実施形態のカーボンナノチューブの配設状態を示す斜視図である。 同実施形態のスペーサの配設状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態の部品内蔵基板におけるカーボンナノチューブの配設状態を示す断面図である。 本発明の参考例における部品内蔵基板の構成を示す模式断面図である。 従来例の部品内蔵基板の構成を示す断面図である。 フィルムコンデンサを内蔵した部品内蔵基板の要部の断面図である。 多層構成のコンデンサを内蔵した部品内蔵基板の要部の断面図である。 セラミックコンデンサを内蔵した部品内蔵基板の要部の断面図である。

符号の説明

１ 部品内蔵基板
１ａ、１ｂ、１ｃ 絶縁性基板
２ キャパシタ
５ａ、５ｂ 導電体層
７ カーボンナノチューブ（微小棒状導電部材）
８ 絶縁性密封体
９ 液体誘電体
１１ 保持部材

Claims (10)

1. 複数の絶縁性基板を積層して成る多層構造の基板内に、導電体層上に多数のカーボンナノチューブを配設して成る一対の電極をそのカーボンナノチューブを対向させかつ相互間に隙間をあけて配置し、電極のカーボンナノチューブ配置部の周縁部を絶縁性密封体を挟んで接合し、絶縁性密封体によって囲まれる内部に、液体誘電体を封入すると共に、一対の前記導電体層間の間隔を保持するためのスペーサを配設して成るキャパシタを内蔵させたことを特徴とするキャパシタ内蔵基板。
2. カーボンナノチューブが導電体層の表面に略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ内蔵基板。
3. スペーサが柱状スペーサ又は球状スペーサであることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ内蔵基板。
4. カーボンナノチューブは、導電体層上の保持部材にその基端部が挿入されて固定されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のキャパシタ内蔵基板。
5. 保持部材は、エネルギー付加によって原子間結合が解離するとともに硬化処理可能な部材であることを特徴とする請求項４記載のキャパシタ内蔵基板。
6. 導電体シート上に多数のカーボンナノチューブを配設して成る一対の電極をそのカーボンナノチューブを対向させかつ相互間に隙間をあけて配置し、電極のカーボンナノチューブ配置部の周縁部を絶縁性密封体を挟んで接合し、絶縁性密封体によって囲まれる内部に、液体誘電体を封入すると共に、一対の前記導電体シート間の間隔を保持するためのスペーサを配設したことを特徴とする電子回路用キャパシタ。
7. カーボンナノチューブが導電体シートの表面に略垂直に配置されたことを特徴とする請求項６記載の電子回路用キャパシタ。
8. スペーサが柱状スペーサ又は球状スペーサであることを特徴とする請求項６又は７記載
   の電子回路用キャパシタ。
9. カーボンナノチューブは、導電体シート上の保持部材にその基端部が挿入されて固定されていることを特徴とする請求項６、７又は８記載の電子回路用キャパシタ。
10. 保持部材は、エネルギー付加によって原子間結合が解離するとともに硬化処理可能な部材であることを特徴とする請求項９記載の電子回路用キャパシタ。

Images