JP4542295B2 - 固体コンデンサの製造 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は固体コンデンサの分野に関し、詳細には、固体コンデンサを製造するための量産方法に関する。
【０００２】
米国特許明細書第５，３５７，３９９号（発明者Ｉａｎ Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ）に、固体タンタル・コンデンサのための量産方法が記載されている。この方法には、固体タンタル基板ウェハを供給する段階、基板に高多孔性焼結タンタル層を形成する段階、多孔性で直立した直線状タンタル・体部の配列物を生成するために、多孔性タンタル層を直交パターンのチャネル即ち溝で鋸引きする段階、体部に誘電体層を形成するために、体部を陽極処理する段階、体部を硝酸マンガン溶液に浸す段階、および加熱して溶液を二酸化マンガンに変えそれにより陰極層を形成する段階、各体部の頂端部に炭素導電層を加え更に銀導電層を加える段階、固体金属ウェハからなる蓋を銀層に接合する段階、基板に固定された体部と蓋の間のチャネル即ち溝中に絶縁樹脂材を注入する段階、および陽極端子が基板材からなり、陰極端子が蓋材からなり、また、容量性体部が多孔性被覆タンタル・体部からなる複数のコンデンサを生成するために、ウェハ面に直角方向に、かつ、各チャネルの中心線に沿って組立品をスライスする即ち切り分ける段階が含まれている。
【０００３】
係属中の出願ＰＣＴ／ＧＢ９９／０３５６６（英国出願第９９１６０４７．５号に対応）に、Ｓａｌｉｓｂｕｒｙの方法に対する変形形態が記述されており、その中では、蓋の層が省略されている。この方法によって製造されたコンデンサの場合、製造される各コンデンサの体積効率が最大化されている。
【０００４】
本発明の目的は、固体コンデンサを製造するための改良された方法、詳細には、より簡単で、かつ、材料を無駄にすることが少ない方法を提供することである。
【０００５】
本発明の一態様によれば、
−基板層を提供する段階と、
−基板層の表面に、多孔性焼結弁作用材料からなる複数の直立した体部を形成する段階と、
−多孔性体部におよび多孔性体部を通って延在した絶縁層を形成する段階と、
−絶縁層に導電陰極層を形成する段階と、
−各体部の頂部部分に陰極末端手段を形成する段階と、
−各々、基板の一部が陽極端子を形成し、また、頂部部分に陰極末端手段を備えた多孔性体部が陽極端子である複数の個別コンデンサ・体部を形成するために、加工済み基板を分割する段階とを含み、多孔性直立した体部が、（ｉ）弁作用（valve action）材料粉末と接合剤の混合物を供給し、（ｉｉ）混合物が生状態即ち圧粉体状態にある間に、基板上の複数の体部中に混合物を成形し、（ｉｉｉ）その後、体部を焼結させることによって形成されることを特徴とする、複数の固体コンデンサを製造する方法が提供される。
【０００６】
圧粉体成形には、例えばダイおよびパンチのセットを組み合わせたものを使用したプレス工程が含まれている。ダイ即ち金型には、必要な体部形状および分布に対応する複数の孔が穿たれており、また、複数のパンチを用いて、基板上の孔中に置かれた生混合物即ち焼鈍前の混合物がプレスされる。ダイ・プレス工程を繰り返すことにより、各個別体部中の生材料層を増強することができる。
【０００７】
好ましい実施形態では、弁作用材料は金属、特にタンタルであるが、他の弁作用金属および材料を、本発明による方法に使用することもできる。本発明にふさわしい材料の例としては、ニオブ、モリブデン、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、およびそれらの合金があり、さらに弁作用酸化物材料がある。本発明にふさわしい金属の特に好ましい例は、ニオブおよびタンタルである。
【０００８】
弁作用金属がタンタルの場合、基板は、固体タンタル・ウェハであることが好ましく、それにより、多孔性金属との物理的および化学的両立性が保証される。一般的には、基板は、弁作用材料と両立するものでなければならない。通常、基板材料は、固体弁作用材料からなっている。
【０００９】
粗い等級の粉末のシーディング層即ち種層を基板に加え、直立した体部を形成するためにより細かい等級の生粉末／接合剤混合物を基板上にプレスする前に焼結させなければならない。粗い等級の粉末は、多孔性焼結体部と基板の間に強力な接合を確実に生成させるための機械的楔を提供している。製造プロセスにおける後続の段階の間、多孔性体部が基板から絶対に離脱しないようにするためには、強力な接合が不可欠である。
【００１０】
シード層即ち種層は、基板上の多孔性体部が直立する部分にのみ施されることが好ましく、したがって本発明の他の態様によれば、−基板層を提供する段階、−基板層の表面に、多孔性焼結弁作用材料からなる複数の直立した体部を形成する段階、−多孔性体部におよび体部の多孔部をとおって延在する絶縁層を形成する段階、−絶縁層に導電陰極層を形成する段階、−各体部の頂部部分に陰極末端手段を形成する段階、および−各々、基板部分が陽極端子を形成し、また、頂部部分に陰極末端手段を備えた多孔性体部が陽極端子である複数の個別コンデンサ・体部を形成するために、加工済み基板を分割する段階を含み、基板に弁作用体部を形成する前に、比較的粗い粒材料のシーディング層が基板に設けられ、シーディング・タブ・配列物が基板に形成されるときシーディング層が提供されることを特徴とする複数の固体コンデンサを製造する方法が提供される。
【００１１】
タブは、直立した体部の弁作用材料と同じ材料からなることが好ましい。タブは、タブの望ましい分布を有するスクリーン印刷層を塗布することによって形成することができる。あるいは、ステンシル法を用いて、適当なタブ・パターンを施すこともできる。タブを形成する方法は２種類の方法だけではなく、適当なシーディング材料タブ・配列物を加える他の方法を用いることもできる。シーディング・タブ・配列物を施すことの利点は、一様なシーディング層の従来の機械加工を省略することができることである。また、シーディング層材料の無駄が減少し、経済的、環境的な利益を得ることができる。
【００１２】
好ましい実施形態では、タブは、比較的粗い弁作用材料粉末のペーストを必要なパターンで基板にスクリーン印刷することによって施されている。
【００１３】
タブが施されると、通常、タブ・配列物が焼結され、シーディング・タブ・パターンが所定の位置に固定される。
【００１４】
必ずしも本発明による方法でタブ・配列物を施す必要はなく、代替実施形態では、一様な層を基板に付与し、焼結させて固定し、次に機械加工によってシーディング層を選択的に除去することによって必要なシーディング・タブ・パターンを作り出している。
【００１５】
陰極末端手段は、直立した体部の頂部部分に加えられた１つまたは複数の導電層からなっている。陰極末端手段は、各直立した体部に付与された金属プレート部分を含んでいる。
【００１６】
一実施形態では、末端手段が固体弁作用金属蓋を備え、蓋と基板の間に直立した体部が挟まれている。蓋は、各々、蓋部分が陰極端子である個別のコンデンサ・体部を形成するために、基板に沿って分割されることが好ましい。米国特許第５，３５７，３９９号に、このような方法について詳細に記載されており、本明細書においては詳細は省略する。
【００１７】
他の実施形態では蓋が省略されており、各コンデンサの陰極端子を形成するために、直立した体部の頂端部領域に導電材料末端層が加えられている。
【００１８】
基板上の直立した体部間の間隙には絶縁材が充填されることが好ましい。好ましい一実施形態では、エポキシ樹脂などの絶縁性プラスチック樹脂材が間隙に充填されている。それにより、基板を分割した際に、各コンデンサ・体部の多孔性体部部分の周囲に保護樹脂スリーブを残すことができる。
【００１９】
本発明のさらに他の態様によれば、上に説明した任意の方法で製造されたコンデンサが提供される。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、上に説明した任意の方法で製造されたコンデンサを備えた電子機器または電気装置が提供される。
【００２１】
誘電体層は、電解陽極化法によって形成され、多孔性焼結陽極体部の表面上に酸化膜が慎重に形成されている。ふさわしい方法については、当分野の技術者には知られていよう。
【００２２】
陰極層は、二酸化マンガンの陰極層を生成するために、硝酸マンガンなどの陰極層先駆物質溶液に陽極体部を浸し、次に、加熱することによって形成される。陽極体部を浸し、かつ、加熱する段階を繰り返し実施することにより、必要な厚さおよび完全性を有する陰極層を徐々に形成することができる。
【００２３】
通常、浸漬プロセスの間に、陰極層は陽極体部に形成されるだけでなく、体部間の露出したタンタル基板表面にも形成されることになる。それぞれの陽極端子から各陰極端子を分離するために、各陽極体部の周囲の基板から、あらゆる陰極層（および誘電体層）を除去するためのさらに他のプロセス・段階が実施される。このプロセスには、基板の表面層を除去することにより、各陽極体部間に絶縁チャネルを形成するさらに他の機械加工プロセスが含まれている。例えば、直線状陽極体部を形成するために、直交する行が機械加工されているところでは、絶縁チャネルは、陽極体部間の行および列の中心線に沿って機械加工される。それにより各コンデンサの陽極体部の周囲に、被覆されていない１段の階段が形成され、それにより陰極層が露出陽極端子から分離される。
【００２４】
陰極層が加えられると、陽極体部は、金属粉末、金属酸化物の誘電体絶縁層、および酸化物がドープされた導電陰極層の相互接続マトリックスからなる陽極部分を備えた容量性体部になる。
【００２５】
カプセル封じ樹脂は、個々の樹脂の適合性および流動性に応じて、加圧した状態で加えられ、あるいは単純な液浸によって加えられる。カプセル封じ樹脂が施されると、樹脂および基板は、隣接する個別のコンデンサ・体部に機械加工され、あるいは切断される。カプセル封じ材は、エポキシなどのプラスチック樹脂である。
【００２６】
以下は、ほんの一例として、本発明を実施する一方法の図面に照らして行う説明である。
【００２７】
図１の１０は、固体タンタル・ウェハの横断面図を示したものである。ウェハの上部表面には、複数のシーディング・タブ１２が焼結されている。シーディング・タブは、粗粒子状のコンデンサ等級タンタル粉末１２の薄層からなっている。シーディング層は、粗粉末の生ペーストを直交パターン（すなわち「一目」状）の直線状タブに、スクリーン印刷によって加えられることが好ましい。タブは、次に焼結され、基板に固着される。続いて、微粒子状のコンデンサ等級タンタル粉末の生（すなわち未焼結）混合物が、基板の上部表面にプレスされ、生層１３が形成される。パンチおよびダイを組み合わせたプレスを用いて流動状生混合物を整形し、図２に示す直線状直立した体部１６が形成される。
【００２８】
図７は、プレスを示したもので、底部ダイ４０および一連のパンチ４１を備えている。ダイは、基板上の意図する分布の陽極体部に対応する行および列に配列された、断面が長方形の孔４２の配列物に形成されている。ダイの孔には、生タンタル混合物４４が充填されている。次に、基板１０がダイの頂部に置かれ、シーディング・タブ（図示せず）が孔と心合せされる。続いて、図７Ｂに示すように、頂部圧盤４３が基板上に押し付けられ、クランプされた組立品がパンチに押し付けられる。パンチは、各孔中の生混合物の詰め物を圧縮し、各詰め物を基板に付着させる。ダイの移動は、機械的停止機構（図示せず）によって制限されており、生の詰め物の過度の緻密化を防止する。次に、圧盤が解放され、ダイから分離される。ダイの重量を支えている一連の軽スプリング４５が、圧盤の解放に応じて、ダイおよび基板をパンチから押し退け、図２に示すように、基板に付着した、断面が長方形の生体部・配列物が残される。プレス工程を繰り返し、生材料層を形成することにより、必要な高さの生体部を作り出すことができる。
【００２９】
生体部は、微粒子状粉末を溶融させ各体部中の一体化した多孔性網目状物に焼結される。焼結は、約１，６００℃で実施される（最適温度は、粒度および焼結プロセスの持続時間によって決まる）。また、焼結プロセスは、多孔性体部を粗いシーディング層１２に溶融する。
【００３０】
形成された体部は、図２に示すように、横方向チャネル１４および縦方向チャネル１５の直交格子を画定している。
【００３１】
多孔性体部は、コンデンサの陽極部分を形成している。絶縁誘電体層（図示せず）は、直流電源の正端子を基板に接続し、（例えば、０．１％リン酸溶液の）電解槽中で陽極処理することによって陽極体部に加えられる。その結果、体部の多孔性金属表面上および露出した基板上に、薄い五酸化タンタル層が形成される。
【００３２】
次に、陰極層（図示せず）が、良く知られているマンガン化プロセスによって、陽極体部に形成される。このプロセスで、各体部上のウェット溶液の被覆物を取り除き、各体部内部の多孔性を保護するために、陽極処理された陽極体部１６が硝酸マンガン溶液に浸される。硝酸塩被覆を二酸化物に変換するために、湿潤空気中で基板が加熱される。液浸および加熱サイクルは、２０回以上繰り返され、必要なコヒーレント陰極層が形成される。
【００３３】
各陽極体部周辺の基板表面に形成されたすべての誘電体層、すなわち陰極層を確実に絶縁するために、さらに機械加工工程が実施され、直交チャネル・パターン３２が、各陽極体部を分離している中心線に沿って基板表面中に鋸引きされる。
【００３４】
マンガン化が完了すると、液体炭素ペースト槽に浸すことにより、マンガン化された体部に導電炭素の中間層２７が被覆される。炭素層が施されると、炭素被覆体部を液体銀ペースト中に浸すことにより、炭素層上に、さらに銀の中間層２１が被覆される。銀が不適合酸化物層に直接接触しないことを保証するために、銀層は、炭素層２７を超えて延在することは許容されない。次に銀層２１が固体化される。
【００３５】
次に、タンタルの固体シート９の一方の表面に、離型剤としてＰＴＦＥ層５が被覆される。続いて一様な銀ペースト層２２が、ＰＴＦＥの露出表面に付与される。次に、体部１６の頂端部に、シートが銀の面を下にして置かれ、図４に示す蓋９が形成される。
【００３６】
シートの頂部面に下方圧力が印加され、不動化されたペースト２２が、銀の中間層２１と密接粘着接触するように強制的に流動される。また、この接触は、炭素層を超えない範囲で各コンデンサの側壁の少し下までペーストが流動することにより、さらに強化される。
【００３７】
所定の位置に蓋が置かれると、図４に示すように、コンデンサ・体部間のチャネル１４および１５に、液体エポキシ樹脂２０が充填される。樹脂は、蓋ペースト２２のレベルまで、各コンデンサ・体部の側面を取り囲んでいる。チャネルは、加圧した樹脂の注入によって充填され、それにより確実に、チャネルによって画定される間隙が完全に充填される。タンタル蓋９がもたらす構造的制約により、カプセル化プロセス中における中間層２７、２１および２２の完全性が維持される。
【００３８】
樹脂２０が充填されると、蓋シートが除去される。ＰＴＦＥ層５は、施されている銀層２２から容易に分離され、固体銀層で被覆された各体部の上端部領域が残される。蓋９が存在することにより、図５に示すように、蓋が除去された後に平らな頂部表面層２２が確実に形成される。
【００３９】
次に、各チャネル１４および１５の中心線（図５のダッシュ線で示す）に沿ってウェハがスライスされ、各コンデンサ・体部が、それぞれ隣接する体部から切り離される。その結果得られる個々のコンデンサの構造を図６に示す。各コンデンサは、基板材料からなる陽極端子部分２３からなっている。基板から直立しているコンデンサ・体部１６は、エポキシ樹脂の側壁２４および２５で外装されている。基板中の階段状部分３０および３１は、元の基板ウェハ中に形成された機械絶縁チャネル３２に対応している。この階段状部分にはマンガン化被覆が施されておらず、また、その他のあらゆる汚染物質と無縁であるため、露出した陽極端子は、確実に陰極端子から分離されている。各コンデンサの頂端部領域は、炭素ペースト層２７、銀ペースト層２１で被覆されており、さらに、素子の陰極端子部分を形成している銀ペースト層２２で被覆されている。
【００４０】
最後の処理段階は、五面末端プロセスである。このプロセスは、電子産業では良く知られているプロセスであり、コンデンサの外部端子を形成する端キャップ２８および２９が形成される。末端層金属は、銀、ニッケルおよびスズの（好ましくは、この順序の）別々の層からなっていてよい。これらの金属は、コンデンサの端子を、接点または他の電気回路あるいは電子回路の部品にはんだ付けすることによって電気接続を形成するのに適している。
【００４１】
本発明は、既に知られているプロセスを適応したものであり、プロセスの経済効率が著しく改善される。知られているプロセスの研削工程、およびその工程に不可避の無駄なタンタル粉末の生成が回避される。そのため、費用のかかる研削装置が不要になり、生産機械が簡略化される。多孔性焼結層を研削除去して体部を形成する代わりに、粉末／接合剤混合物が、生状態の間に形成される。この場合、過剰生混合物を容易に再使用すなわちリサイクルすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に従って処理中の基板の横断面図である。
【図２】 生混合物成形工程後の基板を上から見た図である。
【図３】 本発明の一実施形態に従って処理中の基板の横断面図である。
【図４】 本発明の一実施形態に従って処理中の基板の横断面図である。
【図５】 本発明の一実施形態に従って処理中の基板の横断面図である。
【図６】 本発明による方法に従って製造されたコンデンサの片側の断面図である。

Claims (6)

1. 複数の固体コンデンサを製造する方法であって、
   基板層を提供する段階と、
   基板層の表面に、多孔性で焼結された弁作用材料からなる複数の直立体部を形成する段階であって、該直立体部の形成は、（ｉ）弁作用材料粉末と結合剤の生混合物を供給し、（ｉｉ）生混合物を前記基板にプレスし、混合物が生状態のままで、混合物を基板上にある複数の体部に成形し、（ｉｉｉ）その後で体部を焼結させることによって行われる、直立体部の形成段階と、
   多孔性体部の孔に且つ多孔性体部を貫通して延在する絶縁層を形成する段階と、
   絶縁層に導電陰極層を形成する段階と、
   各体部の頂部部分に陰極末端手段を形成する段階と、
   それぞれについて基板に対応する一端が陽極端子を形成し、多孔性体部が容量性部分であり、且つ反対側の一端が陰極端子を形成するように陰極末端手段を備える複数の個別コンデンサを形成するために加工済み基板を分割する段階とを有する前記方法において、
   生混合物の複数の体部へのプレスおよび成形はダイおよびパンチの組合せによって実施され、ダイには、必要な体部断面および体部分布に対応する孔の配列が形成され、生混合物が前記複数の孔に置かれ、パンチが孔に挿入され、前記ダイと前記基板を互いに隣接させながら各孔中の生混合物の詰め物を前記基板上にプレスした後、前記ダイと前記基板が複数の直立した体部を残して分離されることを特徴とする方法。
2. 各体部中で更に生混合物層を形成するために、前記ダイ／パンチによりプレスするプロセスが繰り返される、請求項１に記載の方法。
3. 比較的粗い粒度の弁作用材料粉末のシーディング層が基板に付与され、体部が前記基板上にプレスおよび成形される前にシーディング層が基板に焼結され、それにより、多孔性体部と基板の間に機械的な楔が設けられる、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. それぞれ比較的粗い粒度の焼結弁作用材料粉末層を含むシーディング・タブの配列が、生体部の意図する部分に対応するパターンで基板に形成され、かつ、生体部がシーディング・タブ上に形成され、それにより、各体部と基板の間の接合が強化される、請求項１または請求項２に記載の方法。
5. シーディング・タブは、配列物に対応するパターンで比較的粗い粉末のペーストをスクリーン印刷することによって、付与され、ペーストは焼結されてパターンが基板の所定の位置に固着する、請求項４に記載の方法。
6. シーディング・タブは、配列物に対応するパターンを形成するためステンシル上で比較的粗い粉末のペースト層を塗布することによって付与され、ペーストは焼結されてパターンが基板の所定の位置に固着する、請求項４に記載の方法。

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