JP4893396B2 - 誘電体フィルムおよびそれを用いた電子部品 - Google Patents

Description

本願発明は、例えば、コンデンサを構成する誘電体層として用いたり、多層基板などに組み込んでコンデンサ素子を形成したりするのに用いたりすることが可能な誘電体フィルム、およびそれを誘電体層として用いた、積層コンデンサ、フィルムコンデンサ、多層基板などの電子部品に関する。

電子機器に広く使用される電子部品の一つにコンデンサがあり、電子機器の小型化にともなって、コンデンサに対しても小型化や薄型化が要求されている。

そして、薄型のコンデンサを形成することが可能な材料として、熱硬化性樹脂中に高誘電率を有する誘電体セラミックスを含有させた、可撓性を有する誘電体フィルムが提案されている（特許文献１参照）。

この誘電体フィルムは、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂中に誘電体セラミックスを含有させた熱硬化性複合誘電体フィルムであって、例えば、図７に示すように、誘電体フィルム５１の両主面に電極５２ａ，５２ｂを配設することにより、箔状のコンデンサを形成することが可能である。

そして、このコンデンサにおいては、耐熱性に優れた熱硬化性樹脂を用い、かつ、高誘電率を有する誘電体セラミックスを用いることにより、耐熱性に優れ、取得可能な静電容量値の大きい箔状のコンデンサを得ることが可能になる。

しかしながら、このコンデンサを、例えばハイブリッドカーや燃料電池車に用いることを考えた場合、耐電圧性が必ずしも十分ではないという課題がある。
すなわち、誘電率や体積抵抗率の異なる有機成分（熱硬化性樹脂）と無機成分（誘電体セラミックス）を複合化すると、両者の界面に電界集中が発生し、破壊の起点となるため、耐電圧性が低下するという問題点がある。

また、このコンデンサの場合、熱硬化性樹脂に分散させた無機成分（誘電体セラミックス）のために、複合誘電体層の表面の平滑性が低下し、複合誘電体層の両主面に形成される電極と、複合誘電体層を構成する無機成分との間の樹脂部分に電界集中が発生するため、この点でも耐電圧性が低下するという問題点がある。
特開２００２−３５６６１９号公報

本願発明は、上記課題を解決するものであり、表面に形成される電極との間に電界集中が生じることを抑制、防止することが可能で、高い耐電圧性が求められるコンデンサや多層基板などに適用することが可能な誘電体フィルム、および、それを誘電体層として用いた電子部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明（請求項１）の誘電体フィルムは、
樹脂中に誘電体フィラーを分散させてなり、表面に前記誘電体フィラーによる凹凸がある複合誘電体層と、
前記複合誘電体層の表裏両主面に配設された高耐電圧性樹脂層と
を具備し、
前記複合誘電体層の表裏両主面に配設された前記高耐電圧性樹脂層のうち、少なくとも一方の表面に電極が形成されているとともに、
前記電極が形成された前記高耐電圧性樹脂層の表面が、前記複合誘電体層の表面より平滑であること
を特徴としている。

また、請求項２の誘電体フィルムは、請求項１の発明の構成において、前記複合誘電体層を構成する前記樹脂および前記高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂が、ポリビニルアセトアセタール樹脂であることを特徴としている。

また、請求項３の誘電体フィルムは、請求項１または２の発明の構成において、前記ポリビニルアセトアセタール樹脂は、ガラス転移温度が１００℃以上のものであることを特徴としている。

また、請求項４の誘電体フィルムは、請求項１〜３のいずれかの発明の構成において、前記高耐電圧性樹脂層の表面に、前記複合誘電体層を構成する前記誘電体フィラーが露出していないことを特徴としている。

また、請求項５の誘電体フィルムは、請求項１〜４のいずれかの発明の構成において、前記複合誘電体層を構成する前記樹脂および前記高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂として同じ樹脂が用いられていることを特徴としている。

また、本願発明（請求項６）の電子部品は、請求項１〜５のいずれかに記載の誘電体フィルムが、誘電体層として用いられていることを特徴としている。

また、請求項７の電子部品は、請求項６の発明の構成において、前記電子部品が、積層コンデンサ、フィルムコンデンサ、多層基板からなる群より選ばれる１種であることを特徴としている。

本願発明（請求項１）の誘電体フィルムは、樹脂中に誘電体フィラーを分散させてなる複合誘電体層の表裏両主面に高耐電圧性樹脂層を配設するようにしているので、複合誘電体層と高耐電圧性樹脂層とが電圧分担することによって、誘電体フィルム全体の耐電圧性を向上させることが可能になる。

また、高耐電圧性樹脂層の表面（電極との接合面）が、複合誘電体層の表面より平滑であることから、電極と、複合誘電体層を構成する無機成分との間の樹脂部分に電界集中が生じることを緩和して、耐電圧性をさらに向上させることができる。

すなわち、樹脂に誘電体フィラー（例えばセラミック誘電体粉末）を分散させた複合誘電体層の表面には、誘電体フィラーによる凹凸があり、平滑ではないため、その表面に直接電極を形成して電子部品を構成した場合には、電極と誘電体フィラーとの間の樹脂層に電界が集中して破壊の起点となるが、本願発明のように、複合誘電体層の両主面に高耐電圧性樹脂層を配設することにより、表面に誘電体フィラーが露出していない平滑な誘電体フィルムを得ることが可能になり、その表面に電極を形成した場合、電極と、複合誘電体層を構成する無機成分との間の樹脂部分に電界集中が生じることが緩和されるため、この面からも耐電圧性を向上させることが可能になる。

さらに、複合誘電体層の表裏両主面に配設された高耐電圧性樹脂層のうち、少なくとも一方の表面に電極が形成された構成としているので、多層回路基板に組み込んだり、フィルムコンデンサを構成したりすることが可能になり、種々の用途に有意義に用いることができる。

なお、本願発明においては、誘電体フィラーとして、高誘電率を有する種々の材料を用いることが可能である。好ましい誘電体フィラーとしては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、酸化チタンなどの誘電体セラミックスが例示される。

また、請求項２の誘電体フィルムのように、複合誘電体層の両主面に配設される高耐電圧性樹脂層に、ポリビニルアセトアセタール樹脂を用いることにより、絶縁破壊強度を確実に向上させることが可能なり、本願発明をより実効あらしめることができる。

なお、高耐圧性を考慮すると、上述のポリビニルアセトアセタールを用いることが望ましいが、複合誘電体層の両主面に配設される高耐電圧性樹脂層用の樹脂材料としては、その他にも、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを用いることが可能である。
なお、一般的に絶縁材料として使用されている樹脂材料は、本願発明における複合誘電体層の表面に配設される高耐電圧性樹脂層に使用することが可能である場合が多い。

また、請求項３の誘電体フィルムのように、ガラス転移温度が１００℃以上のポリビニルアセトアセタール樹脂を用いることにより、耐電圧性をさらに向上させることができる。

また、請求項４の誘電体フィルムのように、高耐電圧性樹脂層の表面に、誘電体フィラーを露出させないようにすることにより、表面の平滑性に優れた誘電体フィルムをより確実に得ることが可能になり、本願発明をより実効あらしめることができる。

また、請求項５の誘電体フィルムのように、請求項１〜４のいずれかの発明の構成において、複合誘電体層を構成する樹脂および高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂として同じ樹脂を用いることができる。

また、請求項６の電子部品のように、本願発明の誘電体フィルムを、誘電体層として用いることにより、耐電圧性に優れた信頼性の高い電子部品を効率よく製造することができる。
ただし、巻回型のフィルムコンデンサをターゲットにした場合、可とう性が必要であるため、複合誘電体層および高耐電圧性樹脂層に用いる樹脂としては、可とう性エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などを用いることが好ましい。

また、請求項７のように、本願発明の誘電体フィルムを誘電体層として用いて、積層コンデンサ、フィルムコンデンサ、多層基板のいずれかを構成することにより、耐電圧性に優れた信頼性の高い製品を得ることが可能になり、本願発明をより実効あらしめることが可能になる。
なお、フィルムコンデンサは平坦な形状のものであってもよく、また、巻回型のフィルムコンデンサであってもよい。

以下に本願発明の実施例を示して、本願発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

［誘電体フィルムの構成材料の準備］
(１)まず、複合誘電体層を構成する樹脂材料として、ポリピニルアセトアセタール樹脂とビスフェノールＡ型エボキシ樹脂を用意した。
そして、ポリピニルアセトアセタール樹脂を、トルエン及びエタノールを重量比で１：１の割合で混合した混合溶媒に溶解させて、ポリピニルアセトアセタール樹脂の７重量％溶液を作製した。
また、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、トルエン及びエタノールを重量比で１：１の割合で混合した混合溶媒に溶解させて、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の５０重量％溶液を作製した。

(２)また、上記樹脂成分と反応する架橋剤として、ＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂を用意した。
そして、このＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂は、酢酸エチルに溶解して、ＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂の６５重量％溶液を作製した。

(３)また、複合誘電体層を構成する誘電体フィラーとして、平均粒径が約０．２μmのチタン酸ストロンチウム粉末を用意した。
なお、チタン酸ストロンチウムの表面を処理するための処理剤として、カップリング剤であるエポキシシランを用意した。

(４)また、複合誘電体層の両主面に配設すべき高耐電圧性樹脂層用の樹脂材料として、ポリピニルアセトアセタール樹脂を用意した。
そして、このポリピニルアセトアセタール樹脂を、トルエン及びエタノールを重量比で１：１の割合で混合した混合溶媒に溶解させて、ポリピニルアセトアセタール樹脂の７重量％溶液を作製した。

［誘電体フィルムの作製］
(１)上述のようにして用意したチタン酸ストロンチウム粉末１００重量部とエポキシシラン６重量部を、トルエンとエタノールを１：１の割合で混合した混合溶媒５０重量部に混合し、ボールミルにより８時間混合して、チタン酸ストロンチウム粉末をエポキシシランで表面処理するとともに十分に分散させた。

(２)その後、上記のようにしてチタン酸ストロンチウム粉末を表面処理し、分散させた分散液に、上述の、
ａ)ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の５０重量％溶液８．９５重量部、
ｂ)ＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂の６５重量％溶液６．９２重量部、
ｃ)ポリピニルアセトアセタール樹脂の７重量％溶液２９８．３重量部
を加え、さらに１６時間混合して、原料スラリーを作製した。

この原料スラリーにおいては、チタン酸ストロンチウム粉末の含有割合が、後述する架橋反応後において、上記、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、エポキシシラン及びＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂、ポリビニルアセトアセタール樹脂からなる樹脂の体積と、チタン酸ストロンチウム粉末の体積との合計に対して４０体積％となる。

(３)それから、上記原料スラリーをコーターによりキャリアフィルム上でシート状に成形し、３５℃にて予備乾燥した後、さらに９５℃にて本乾燥させ、厚みが４μｍの未硬化のシートを得た。

(４)その後、１８０℃・１時間の条件で熱処理して、架橋反応を完結させることにより、チタン酸ストロンチウム粉末を４０体積％含む複合誘電体層を作製した。

(５)次に、架橋反応を完結させた複合誘電体層を、ポリビニルアセトアセタール樹脂溶液に浸漬して引き上げ、１００℃で乾燥させることにより、複合誘電体層の両主面に高耐電圧性樹脂層を形成した。
なお、本実施例では、ポリビニルアセトアセタール樹脂溶液を用意し、上述の方法で高耐電圧性樹脂を形成したが、ビスフェノールＡ型エボキシ樹脂と、ＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂と、ポリビニルアセトアセタール樹脂とからなる高耐電圧性樹脂層を形成することも可能である。
その場合、例えば、
ａ)ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の５０重量％溶液８．９５重量部、
ｂ)ＴＤＩ系ブロックドポリイソシアネート樹脂の６５重量％溶液６．９２重量部、
ｃ)ポリピニルアセトアセタール樹脂の７重量％溶液２９８．３重量部
を混合して得られる原料を用いる。
なお、この場合、１００℃の乾燥工程の後、１８０°で１時間の熱処理工程が行われる。

これにより、図１に示すように、樹脂１中に誘電体フィラー（誘電体セラミックスであるチタン酸ストロンチウム粉末）２を分散させてなる厚みが約４μmの複合誘電体層３と、複合誘電体層３の表裏の両主面に配設された、厚みが約１μmの高耐電圧性樹脂層４ａ，４ｂとを備えた誘電体フィルム５を得た。
なお、この実施例では、高耐電圧性樹脂層の形成方法として、上述のようなディップ方式を用いたが、スピンコート、キャスト、ドクターブレードなどの各種コーターを用いる塗布などの方法を用いることも可能である。

［特性の評価］
上述のようにして作製した誘電体フィルム５の表裏の両主面に、図２に示すように、真空蒸着法によりＡｌを主成分とする電極６ａ，６ｂを形成し、以下の方法で電気的特性を評価した。
すなわち、ＬＣＲメータ（４２８４Ａ：アジレント製）を用いて、測定周波数：２０ｋＨｚ、及び測定電圧：１Ｖにおける比誘電率εｒを測定した。
また、絶縁破壊試験装置を用いて、絶縁破壊電圧を測定した。

また、比較のため、複合誘電体層の表裏両主面に高耐電圧性樹脂層が配設されていない誘電体フィルムを作製し、この比較例の誘電体フィルムについても同様の方法で電気的特性を評価した。
電気的特性の評価結果を表１に示す。

表１に示すように、複合誘電体層の両主面に高耐電圧性樹脂層を形成した本願発明の実施例にかかる誘電体フィルムの場合、比誘電率εｒには大きな差がないものの、絶縁破壊電圧は、比較例に比べて実施例の方が大幅に高くなっていることが確認された。

なお、比較例において、耐電圧性が悪い（絶縁破壊電圧が低い）のは、複合誘電体層が、誘電率や体積抵抗率の異なる有機成分（樹脂）と無機成分（誘電体フィラーであるチタン酸ストロンチウム粉末）とを複合化したものであることから、両者の界面で電界集中が発生して破壊の起点となったり、有機成分（樹脂）に分散させた無機成分（チタン酸ストロンチウム粉末）のため、複合誘電体層の表面の平滑性が低下し、電極と誘電体フィラー（チタン酸ストロンチウム粉末）との間の樹脂部分に電界集中が生じたりすることなどの理由によるものと考えられる。

上述のように、本願発明（請求項１）の誘電体フィルムは、樹脂中に誘電体フィラーを分散させてなる複合誘電体層の両主面に高耐電圧性樹脂層を配設するようにしているので、複合誘電体層と高耐電圧性樹脂層とが電圧分担することにより、誘電体フィルム全体として、高い耐電圧性を得ることができる。

また、複合誘電体層の表面に、誘電体フィラーによる凹凸が生じても、複合誘電体層の両主面に配設された高耐電圧性樹脂層により、表面に誘電体フィラーが露出していない平滑な誘電体フィルムを得ることが可能になり、この面からも、電界集中を緩和して、耐電圧性を向上させることができる。

図３は、本願発明にかかる誘電体フィルムを用いて作製した積層コンデンサの構成を示す断面図である。
この積層コンデンサ１０は、Ａｌを主成分とする複数の内部電極１３が誘電体層１２を介して互いに対向するように配設され、かつ、その一端側が交互に異なる側の端面に引き出された積層素子１１の両端側に、内部電極１３と導通するように、Ｚｎ、Ｓｎを主成分とする一対の外部電極１４ａ，１４ｂが配設された構造を有している。

この積層コンデンサ１０は、図４に示すように、本願発明にかかる誘電体フィルム（例えば、図１に示すような誘電体フィルム５）の表面に、真空蒸着法により、Ａｌを主成分とし、所定のパターンを有する内部電極（導体パターン）１３を形成した電極形成フィルム１５を積層し、さらにその上下両側に導体パターンの形成されていない外層用の誘電体フィルムを積層し、必要に応じてカットした後、得られる積層素子１の、内部電極１３の一方側が露出した両端部に、例えば、金属溶射などの方法で外部電極１４ａ，１４ｂを形成することにより製造することができる。

このようにして製造された積層コンデンサにおいては、高誘電率を有し、かつ、耐電圧性に優れた本願発明の誘電体フィルムが用いられているため、高特性で、破壊電圧値が高く、信頼性の高い積層コンデンサを得ることができる。

図５は、本願発明にかかる誘電体フィルムを用いて作製した巻回型のフィルムコンデンサ（巻回型コンデンサ）の構成を示す図である。

図５に示すように、この巻回型コンデンサ２０は、一方主面に電極２１ａが形成された誘電体フィルム２２ａと、同じく一方主面に電極２１ｂが形成された誘電体フィルム２２ｂの２枚の誘電体フィルムを巻回することにより形成されている。

この巻回型コンデンサ２０も本願発明の誘電体フィルムを用いて製造することができる。例えば、誘電体フィルムを構成する樹脂材料として、硬化後にも可撓性を有する樹脂中に誘電体フィラーを分散させた複合誘電体層の両主面に高耐電圧性樹脂層を配設してなる誘電体フィルムを用意し、その一方の主面に電極を形成する。そして、この電極の形成された２枚の誘電体フィルムを、巻回することにより、図５に示すような巻回型コンデンサが得られる。

このようにして製造された巻回型コンデンサにおいても、高誘電率を有し、かつ、耐電圧性に優れた本願発明の誘電体フィルムが用いられているため、高特性で、破壊電圧値が高く、信頼性の高い巻回型コンデンサを得ることができる。

図６は、本願発明にかかる誘電体フィルムを用いて作製した多層基板の構成を示す断面図である。

この多層基板３０は、図６に示すように、本願発明の誘電体フィルムを用いて形成した誘電体層（絶縁層）３１を介して、Ｃｕを主成分とする内部導体３２や、外部導体３３が積層され、ビアホール３４を介して内部導体３２や、外部導体３３が互いに接続されることにより、回路配線３５が形成された構造を有している。

この多層基板も、本願発明にかかる誘電体フィルムの表面に、導体パターンを形成した誘電体フィルムや、導体パターンとビアホールを形成した誘電体フィルム、特に導体パターンを形成していない誘電体フィルムなどを適宜用意し、これらを所定の順序で積層する工程を経て製造することができる。

なお、本願発明の誘電体フィルムおよびそれを用いた電子部品は、上記の各実施例に限定されるものではなく、複合誘電体層を構成する樹脂の種類、誘電体フィラーの種類や配合割合、高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂の種類、複合誘電体層および高耐電圧性樹脂層の厚みなどに関し、本発明の効果を損なわない範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

上述のように、本願発明によれば、表面に形成される電極との間に電界集中が生じることを抑制、防止することが可能で、高い耐電圧性が求められるコンデンサや多層基板などに適用することが可能な誘電体フィルムおよびそれを用いた耐電圧性に優れた信頼性の高い電子部品を提供することが可能になる。
したがって、本願発明は、誘電体材料の分野、誘電体を用いた電子部品の分野に広く適用することが可能である。

本願発明の一実施例（実施例１）にかかる誘電体フィルムの構成を示す断面図である。 本願発明の誘電体フィルムの電気的特性の評価方法を説明する図である。 本願発明の誘電体フィルムを用いて作製した積層コンデンサの構成を示す断面図である。 図３の積層コンデンサの製造方法を説明する図である。 本願発明の誘電体フィルムを用いて作製した巻回型コンデンサの構成を示す図である。 本願発明の誘電体フィルムを用いて作製した多層基板の構成を示す断面図である。 従来の誘電体フィルムを用いて形成したコンデンサを示す図である。

１ 複合誘電体層を構成する樹脂
２ 誘電体フィラー
３ 複合誘電体層
４ 高耐電圧性樹脂層
５ 誘電体フィルム
６ａ，６ｂ 電極
１０ 積層コンデンサ
１１ 積層素子
１３ 内部電極
１４ａ，１４ｂ 外部電極
１５ 電極形成フィルム
２０ 巻回型コンデンサ
２１ 電極
２２ 可撓性樹脂を用いて形成した誘電体フィルム
３０ 多層基板
３１ 誘電体層（絶縁層）
３２ 内部導体
３３ 外部導体
３４ ビアホール
３５ 回路配線

Claims (7)

1. 樹脂中に誘電体フィラーを分散させてなり、表面に前記誘電体フィラーによる凹凸がある複合誘電体層と、
   前記複合誘電体層の表裏両主面に配設された高耐電圧性樹脂層と
   を具備し、
   前記複合誘電体層の表裏両主面に配設された前記高耐電圧性樹脂層のうち、少なくとも一方の表面に電極が形成されているとともに、
   前記電極が形成された前記高耐電圧性樹脂層の表面が、前記複合誘電体層の表面より平滑であること
   を特徴とする誘電体フィルム。
2. 前記複合誘電体層を構成する前記樹脂および前記高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂が、ポリビニルアセトアセタール樹脂であることを特徴とする、請求項１記載の誘電体フィルム。
3. 前記ポリビニルアセトアセタール樹脂は、ガラス転移温度が１００℃以上のものであることを特徴とする、請求項１または２記載の誘電体フィルム。
4. 前記高耐電圧性樹脂層の表面に、前記複合誘電体層を構成する前記誘電体フィラーが露出していないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体フィルム。
5. 前記複合誘電体層を構成する前記樹脂および前記高耐電圧性樹脂層を構成する樹脂として同じ樹脂が用いられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体フィルム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の誘電体フィルムが、誘電体層として用いられていることを特徴とする電子部品。
7. 前記電子部品が、積層コンデンサ、フィルムコンデンサ、多層基板からなる群より選ばれる１種であること
   を特徴とする請求項６記載の電子部品。

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