JP5012996B2 - コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、コンデンサおよびその製造方法に関するもので、特に、比表面積の大きな導電性基材の表面に沿って誘電体膜を形成した構造を有するコンデンサおよびその製造方法に関するものである。
近年、電子機器や電子回路の小型化、高周波化に伴い、以下の特性を有するコンデンサが求められている。
（１）大きな静電容量
（２）低いＥＳＲ（等価直列抵抗）
上記（１）の特性を満足するコンデンサとして、タンタル電解コンデンサがある。しかし、タンタル電解コンデンサは、（２）の特性を満足することができず、高周波対応には使用しづらい。また、タンタルは高価なため、タンタル電解コンデンサはコスト高となる。
（２）低いＥＳＲ（等価直列抵抗）
上記（１）の特性を満足するコンデンサとして、タンタル電解コンデンサがある。しかし、タンタル電解コンデンサは、（２）の特性を満足することができず、高周波対応には使用しづらい。また、タンタルは高価なため、タンタル電解コンデンサはコスト高となる。
また、上記（１）の特性を満足するコンデンサとして、アルミニウム電解コンデンサがあるが、これも（２）の特性を満足できないばかりか、寿命が短いという問題もある。
上記（２）の特性を満足し、かつ寿命特性も優れるコンデンサとして、積層セラミックコンデンサがある。しかしながら、積層セラミックコンデンサは、（１）の特性が不足気味であるのが問題である。
このような背景の下、たとえば特開平１１−３４００９１号公報（特許文献１）には、比表面積の大きな導電性多孔質基材の表面に、超臨界コート法により誘電体膜を形成し、さらに誘電体膜上に対電極層を形成してなる、コンデンサが開示されている。
より具体的には、上記導電性多孔質基材は、フェノール系活性炭粉末を加圧成形したものによって与えられる。誘電体膜は、テトラブトキシチタンを超臨界コート法により上記基材上にコートし、アニールすることによって得られたＴｉＯ２膜によって与えられる。対電極層は、テトラエトキシ錫とトリイソプロポキシインジウムを超臨界コート法により上記ＴｉＯ２膜上にコートして得られたＩＴＯ層によって与えられる。
しかしながら、特許文献１に記載のコンデンサには、次のような解決されるべき課題がある。
（１）特許文献１には、導電性多孔質基材を構成する材料例として、活性炭のほかに、多孔質アルミニウム、多孔質タンタルなどの多孔質金属、多孔質酸化ルテニウム、多孔質酸化バナジウム、多孔質酸化インジウム、多孔質酸化錫、多孔質酸化ニッケルなどの多孔質酸化物、などが挙げられている。
しかしながら、上記の多孔質アルミニウムや多孔質タンタルは弁金属であるため、表面に酸化膜ができやすく、接触抵抗の高い箇所が発生しやすくなり、コンデンサのＥＳＲが高くなってしまうと考えられる。また、活性炭や多孔質酸化物はそれ自体の抵抗率が高いと考えられるため、同様にＥＳＲがより高くなると思われる。
以上、特許文献１に開示される導電性多孔質基材は、安価、低抵抗率、および大比表面積といった条件をすべて満足するものはない。したがって、これらをすべて満足するコンデンサ用の導電性基材が求められる。
（２）誘電体膜の形成に超臨界コート法という特殊な方法を用いており、工程が非常に煩雑となる。したがって、様々な誘電体膜形成方法に適応可能な導電性多孔質基材が望まれる。この場合、誘電体膜のつきまわり性が悪く、被覆率が低いと、ショート不良率が高くなるため、誘電体膜のつきまわり性の良好な導電性多孔質基材が望まれる。
特開平１１−３４００９１号公報
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決しながら、大きな静電容量および低いＥＳＲを実現し得る、コンデンサおよびその製造方法を提供しようとすることである。
この発明は、導電性基材と、導電性基材の表面に沿うように形成された誘電体膜と、誘電体膜を介して導電性基材と対向するように形成された対向導電体とを備える、コンデンサにまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、導電性基材が、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有するめっき膜からなることを特徴としている。
この発明に係るコンデンサにおいて、導電性基材は、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とするめっき析出物からなることが好ましい。
この発明に係るコンデンサにおいて、導電性基材を構成するめっき膜の形態は、多孔質状であっても、ワイヤ状であっても、ブロッコリ状であってもよい。なお、「ワイヤ状」および「ブロッコリ状」は、ともに、めっき膜の表面が無数の突起を形成している状態である。そして、突起の形態が比較的細長いものを「ワイヤ状」とし、突起の形態が比較的短小なものを「ブロッコリ状」としている。
この発明は、上述したような構造を有するコンデンサを製造する方法にも向けられる。
この発明に係るコンデンサの製造方法は、電解めっきまたは無電解めっきにより、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有するめっき膜からなる導電性基材を形成する工程と、導電性基材の表面に沿って誘電体膜を形成する工程と、誘電体膜の表面に対向導電体を形成する工程とを備えることを特徴としている。
上述した電解めっきまたは無電解めっきにおいて使用するめっき液には、アセチレン基を有する界面活性剤が含有されることが好ましい。
この発明によれば、導電性基材がめっき膜からなるので、大比表面積化が可能になり、その結果、大容量のコンデンサを得ることができる。また、導電性基材がめっき膜からなるので、高導電率化が可能になり、その結果、低ＥＳＲのコンデンサを得ることができる。
また、この発明によれば、誘電体膜を、様々な方法で、薄くかつ高い被覆率でもって容易に形成することができる。
さらに、この発明によれば、めっき膜である導電性基材は、その厚みをコントロールしやすいため、設計の自由度が広がる。
この発明に係るコンデンサにおいて、導電性基材がＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とするめっき析出物から構成されると、導電性基材をより確実にかつより低コストで高導電率化することができ、したがって、より確実にかつより低コストで低ＥＳＲのコンデンサを実現することができる。また、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とすると、大比表面積のめっき膜を形成することが容易である。
この発明に係るコンデンサにおいて、導電性基材を構成するめっき膜の形態が、多孔質状であったり、ワイヤ状であったり、ブロッコリ状であったりすると、めっき膜を大比表面積化するのに適しており、多孔質状の場合には５００〜１２００ｍｍ２／ｍｍ３、ワイヤ状の場合には２００００〜７００００ｍｍ２／ｍｍ３、ブロッコリ状の場合には７００００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を実現することが可能である。
この発明に係るコンデンサの製造方法によれば、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有するめっき膜からなる導電性基材を形成するため、電解めっきまたは無電解めっきが用いられる。このような電解めっきまたは無電解めっきは、特殊な処理が必要なく、Ｎｉ、Ｃｕ等の高導電率の金属にて大比表面積のめっき膜を得ることができる方法である。なお、従来には、発泡樹脂の上に金属をめっきした後、発泡樹脂を燃焼させて金属多孔体を得る方法などがあるが、このような方法には、工程が煩雑であるという問題があり、さらに大比表面積化が難しいという問題もある。
また、この発明に係るコンデンサの製造方法によれば、誘電体膜の形成が、導電性基材の陽極酸化によるものではないため、導電性基材の材質に依存することなく、誘電体膜の成分および形成方法を選択することができる。すなわち、陽極酸化により誘電体膜を形成する場合は、酸化物が高誘電率になるようなものを導電性基材の材質として選ばなければならないが、この発明によれば、導電性基材の材質に関して、上述のような制約を受けることはない。
電解めっきまたは無電解めっきにおいて使用するめっき液に、アセチレン基を有する界面活性剤が含有されていると、このような界面活性剤は、めっき膜を大比表面積化させるのに有効な成分として働く。
１ コンデンサ
２ 導電性基材
３ 誘電体膜
４ 対向導電体
２ 導電性基材
３ 誘電体膜
４ 対向導電体
図１は、この発明の一実施形態によるコンデンサ１の一部を拡大して図解的に示す断面図である。
コンデンサ１は、導電性基材２と、導電性基材２の表面に沿うように形成された誘電体膜３と、誘電体膜３を介して導電性基材２と対向するように形成された対向導電体４とを備えている。さらに、導電性基材２に接するように、第１の取出し電極５が設けられ、他方、対向導電体４に接するように、第２の取出し電極６が設けられる。第１および第２の取出し電極５および６は、たとえば、銅箔、アルミニウム箔のような金属箔から構成される。
導電性基材２は、第１の取出し電極５上で電解めっきまたは無電解めっきを実施することにより析出させためっき膜から構成されたもので、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有している。電解めっきまたは無電解めっきによれば、特殊な処理が必要なく、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上といった大比表面積のめっき膜を容易に得ることができる。なお、上述の電解めっきまたは無電解めっきにおいて使用するめっき液に、アセチレン基を有する界面活性剤が含有されていることが好ましい。なぜなら、このような界面活性剤は、めっき膜を大比表面積化させるのに有効な成分として働くからである。
導電性基材２を構成するめっき膜は、好ましくは、Ｎｉを主成分とするめっき析出物、またはＣｕを主成分とするめっき析出物から構成される。より具体的には、導電性基材２を構成するめっき膜は、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｐ合金などから構成される。このようにＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とすることによって、導電性基材２をより確実にかつより低コストで高導電率化することができ、したがって、コンデンサ１をより確実にかつより低コストで低ＥＳＲ化することができる。また、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とすることによって、導電性基材２の大比表面積化が容易であるという効果も奏される。
図１では、導電性基材２を構成するめっき膜が多孔質状の形態を有しているものとして図示されたが、導電性基材２を構成するめっき膜の形態は、後述するように、その他、ワイヤ状であっても、ブロッコリ状であってもよい。導電性基材２を構成するめっき膜の形態が多孔質状の場合には５００〜１２００ｍｍ２／ｍｍ３、ワイヤ状の場合には２００００〜７００００ｍｍ２／ｍｍ３、ブロッコリ状の場合には７００００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を実現することが可能であることが確認されている。
誘電体膜３は、種々の方法により形成されることができる。誘電体膜３の形成方法として、代表的には、次のような方法がある。
第１に、ＣＶＤにより、導電性基材２上にパリレンなどの有機誘電体膜を形成する方法がある。第２に、ＣＶＤにより、導電性基材２上にチタン酸バリウムなどの無機誘電体膜を形成する方法がある。第３に、アノード電解により、導電性基材２上に酸化チタンなどの金属酸化物を析出させる方法がある。
その他にも、誘電体膜３の形成方法として、平衡反応法、カソード電解法、電気泳動法、置換析出法、水熱合成法、ゾルゲル法、ディップコーティング法、電解重合法、酸化物析出法、無電解析出法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＥ法、エアロゾル法等がある。
また、導電性基材２上にアルミニウムやタンタルのような弁金属からなる膜を析出させ、これを酸化することによって生成した酸化皮膜を誘電体膜３としてもよい。
なお、誘電体膜３は、導電性基材２の表面に直接接するように形成されていなくてもよく、少なくとも導電性基材２の表面に沿うように形成されていればよい。
対向導電体４は、種々の材質をもって、種々の形成方法によって形成されることができる。図１では、対向導電体４は電解液から構成され、この電解液が、表面に誘電体膜３が形成された導電性基材２の多孔質部分の空間を充填するように付与されている。対向導電体４は、その他、導電性高分子などから構成されてもよい。
＜前処理＞
第１の取出し電極となる厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、これをＰｄゾルに浸漬することによって、Ｃｕ箔上に、無電解めっきにおける還元剤のための触媒となるＰｄ微粒子を付与した。
第１の取出し電極となる厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、これをＰｄゾルに浸漬することによって、Ｃｕ箔上に、無電解めっきにおける還元剤のための触媒となるＰｄ微粒子を付与した。
＜導電性基材の形成＞
以下の表１に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した。ここで、無電解Ｎｉめっき膜として、その厚みが５μｍのもの、１０μｍのもの、および１５μｍのものといった３種類の試料を作製した。また、比較例として、無電解Ｎｉめっき膜を形成しない（厚みが０μｍである）試料も残した。
以下の表１に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した。ここで、無電解Ｎｉめっき膜として、その厚みが５μｍのもの、１０μｍのもの、および１５μｍのものといった３種類の試料を作製した。また、比較例として、無電解Ｎｉめっき膜を形成しない（厚みが０μｍである）試料も残した。
得られた無電解Ｎｉめっき膜の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察した。その結果、めっき膜の形態は多孔質状であることが確認された。厚みが５μｍの無電解Ｎｉめっき膜について、その表面を撮影したＳＥＭ写真が図２に示されている。
＜誘電体膜の形成＞
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりポリパラキシリレン（以下、「パリレン」と略称する。）からなる誘電体膜を形成した。このパリレンからなる誘電体膜の厚みは約３００ｎｍであった。
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりポリパラキシリレン（以下、「パリレン」と略称する。）からなる誘電体膜を形成した。このパリレンからなる誘電体膜の厚みは約３００ｎｍであった。
この段階で、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）により断面を露出させ、この断面のＳＩＭ（Scanning Ion Microscopy）像を観察した。厚み５μｍのＮｉめっき膜を形成した試料についての写真が図３に示されている。
なお、上記比較例では、Ｃｕ箔上に、直接、ＣＶＤ法によりパリレンからなる誘電体膜を形成した。
＜対向導電体の形成＞
次に、パリレンからなる誘電体膜の表面に、対向導電体となる電解液としての濃度１５０ｇ／Ｌのアジピン酸アンモニウム溶液（ｐＨ６．７）を付与し、多孔質部分に充填させた。そして、この電解液に接するように、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
次に、パリレンからなる誘電体膜の表面に、対向導電体となる電解液としての濃度１５０ｇ／Ｌのアジピン酸アンモニウム溶液（ｐＨ６．７）を付与し、多孔質部分に充填させた。そして、この電解液に接するように、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
＜評価および考察＞
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、７００ｍｍ２／ｍｍ３であった。このように、導電性基材に多孔質状のＮｉめっき膜を用いることにより、導電性基材において、大きな比表面積を得ることができた。
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、７００ｍｍ２／ｍｍ３であった。このように、導電性基材に多孔質状のＮｉめっき膜を用いることにより、導電性基材において、大きな比表面積を得ることができた。
次に、第１の取出し電極となるＣｕ箔と第２の取出し電極となるアルミニウム箔との間において、ＬＣＲメータを用い、０．５Ｖｒｍｓ、１２０Ｈｚ、室温の各条件下において静電容量を測定した。単位面積あたりの静電容量とＮｉめっき膜厚みとの関係が以下の表２に示されている。
表２からわかるように、Ｎｉめっき膜の厚みの増加に従い、単位面積あたりの静電容量が大きく上昇する結果となった。よって、この実施例１による多孔質状のめっき膜の場合、膜厚が増して３次元構造が広がると、実際の比表面積がＢＥＴ測定値よりも大きくなっていることが考えられる。
実施例２は、実施例１とは異なるＮｉ浴を用いて得られたワイヤ状Ｎｉめっき膜を導電性基材としたときのコンデンサを評価したものである。
＜前処理＞
実施例１と同様に、厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、この上に、Ｐｄ微粒子を付与した。
実施例１と同様に、厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、この上に、Ｐｄ微粒子を付与した。
＜導電性基材の形成＞
以下の表３に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる厚み５μｍの無電解Ｎｉめっき膜を形成した。また、比較例として、無電解Ｎｉめっき膜を形成しない試料も残した。
以下の表３に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる厚み５μｍの無電解Ｎｉめっき膜を形成した。また、比較例として、無電解Ｎｉめっき膜を形成しない試料も残した。
得られた無電解Ｎｉめっき膜の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察した。その結果、めっき膜の形態はワイヤ状であることが確認された。この無電解Ｎｉめっき膜について、その表面を撮影したＳＥＭ写真が図４に示されている。
＜誘電体膜の形成＞
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりＴｉＯ２からなる誘電体膜を形成した。このＴｉＯ２からなる誘電体膜の厚みは約１００ｎｍであった。
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりＴｉＯ２からなる誘電体膜を形成した。このＴｉＯ２からなる誘電体膜の厚みは約１００ｎｍであった。
なお、上記比較例では、Ｃｕ箔上に、直接、ＣＶＤ法によりＴｉＯ２からなる誘電体膜を形成した。
＜対向導電体の形成＞
次に、実施例１と同様にして、対向導体膜を形成し、次いで、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
次に、実施例１と同様にして、対向導体膜を形成し、次いで、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
＜評価および考察＞
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、２３４００ｍｍ２／ｍｍ３であった。また、実施例１と同様にして求めた単位面積あたりの静電容量は、３１０μＦ／ｃｍ２であった。なお、比較例では、０．３μＦ／ｃｍ２であった。
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、２３４００ｍｍ２／ｍｍ３であった。また、実施例１と同様にして求めた単位面積あたりの静電容量は、３１０μＦ／ｃｍ２であった。なお、比較例では、０．３μＦ／ｃｍ２であった。
実施例２のように、導電性基材にワイヤ状のＮｉめっき膜を用いることにより、実施例１よりも大きな比表面積を有する導電性基材を得ることができ、大容量のコンデンサを得ることができた。
実施例３は、実施例１および２のいずれとも異なるＮｉ浴を用いて得られたブロッコリ状Ｎｉめっき膜を導電性基材としたときのコンデンサを評価したものである。
＜前処理＞
実施例１と同様に、厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、この上に、Ｐｄ微粒子を付与した。
実施例１と同様に、厚さ１０μｍのＣｕ箔を用意し、この上に、Ｐｄ微粒子を付与した。
＜導電性基材の形成＞
以下の表４に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる厚み５μｍの無電解Ｎｉめっき膜を形成した。
以下の表４に示す無電解Ｎｉめっき液およびめっき条件により、上記Ｃｕ箔上に、導電性基材となる厚み５μｍの無電解Ｎｉめっき膜を形成した。
得られた無電解Ｎｉめっき膜の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察した。その結果、めっき膜の形態はブロッコリ状であることが確認された。この無電解Ｎｉめっき膜について、その表面を撮影したＳＥＭ写真が図５に示されている。
＜誘電体膜の形成＞
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりＴｉＯ２からなる誘電体膜を形成した。このＴｉＯ２からなる誘電体膜の厚みは約１００ｎｍであった。
次に、上記無電解Ｎｉめっき膜の表面に、ＣＶＤ法によりＴｉＯ２からなる誘電体膜を形成した。このＴｉＯ２からなる誘電体膜の厚みは約１００ｎｍであった。
＜対向導電体の形成＞
次に、実施例１と同様にして、対向導体膜を形成し、次いで、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
次に、実施例１と同様にして、対向導体膜を形成し、次いで、第２の取出し電極となるアルミニウム箔を配置し、各試料となるコンデンサを完成させた。
＜評価および考察＞
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、７２５００ｍｍ２／ｍｍ３であった。また、実施例１と同様にして求めた単位面積あたりの静電容量は、９６０μＦ／ｃｍ２であった。
導電性基材となる無電解Ｎｉめっき膜を形成した試料について、無電解Ｎｉめっき膜の、ＢＥＴ法による体積あたりの比表面積（Ｓ/Ｖ）は、７２５００ｍｍ２／ｍｍ３であった。また、実施例１と同様にして求めた単位面積あたりの静電容量は、９６０μＦ／ｃｍ２であった。
実施例３のように、導電性基材にブロッコリ状のＮｉめっき膜を用いることにより、実施例１および２のいずれよりも大きな比表面積を有する導電性基材を得ることができ、さらに大容量のコンデンサを得ることができた。
Claims (7)
- 導電性基材と、前記導電性基材の表面に沿うように形成された誘電体膜と、前記誘電体膜を介して前記導電性基材と対向するように形成された対向導電体とを備え、
導電性基材が、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有するめっき膜からなることを特徴とする、コンデンサ。 - 導電性基材が、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を主成分とするめっき析出物からなる、請求項１に記載のコンデンサ。
- 前記導電性基材を構成する前記めっき膜の形態が多孔質状である、請求項１または２に記載のコンデンサ。
- 前記導電性基材を構成する前記めっき膜の形態がワイヤ状である、請求項１または２に記載のコンデンサ。
- 前記導電性基材を構成する前記めっき膜の形態がブロッコリ状である、請求項１または２に記載のコンデンサ。
- 電解めっきまたは無電解めっきにより、１００ｍｍ２／ｍｍ３以上の比表面積を有するめっき膜からなる導電性基材を形成する工程と、
前記導電性基材の表面に沿って誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の表面に対向導電体を形成する工程と
を備える、コンデンサの製造方法。 - 前記電解めっきまたは無電解めっきにおいて使用するめっき液には、アセチレン基を有する界面活性剤が含有される、請求項６に記載のコンデンサの製造方法。
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