JP5785518B2 - Capacitor and its dielectric layer - Google Patents
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Description
本発明は、Liイオン伝導性化合物を用いたデカップリングコンデンサ及びその誘電体層に関する。 The present invention relates to a decoupling capacitor using a Li ion conductive compound and a dielectric layer thereof.
従前より、様々な電子回路等においてデカップリングコンデンサ(バイパスコンデンサともいう)が使用されている。 Conventionally, decoupling capacitors (also referred to as bypass capacitors) have been used in various electronic circuits and the like.
例えば、高周波回路においては、BaTiO3を誘電体材料として用いる積層セラミックコンデンサが広く使われている。一般的に積層セラミックコンデンサは、BaTiO3粉末を含むグリーンシートとNi等の金属粉末を含む導電ペースト層(電極層)とを交互に積層し、焼成することによって得られる。積層セラミックコンデンサは、無極性で周波数特性にも優れていることから広く利用されているが、その容量は0.5pF〜22μF程度であり、近年においては更に容量の大きい積層セラミックコンデンサが求められている。 For example, in a high frequency circuit, a multilayer ceramic capacitor using BaTiO 3 as a dielectric material is widely used. In general, a multilayer ceramic capacitor is obtained by alternately laminating green sheets containing BaTiO 3 powder and conductive paste layers (electrode layers) containing metal powder such as Ni and firing them. Multilayer ceramic capacitors are widely used because they are nonpolar and excellent in frequency characteristics, but their capacitance is about 0.5 pF to 22 μF, and in recent years, a multilayer ceramic capacitor having a larger capacity has been demanded. Yes.
また、低周波回路においては、アルミ電解コンデンサ等の電解コンデンサが使われることが多い。電解コンデンサは、積層セラミックコンデンサに比べて大きな容量(例えば0.1μF〜10万μF)が得られるが、電解液が外部に漏れ出す恐れがあり、また周波数特性が悪いといった問題もあった。 In low frequency circuits, electrolytic capacitors such as aluminum electrolytic capacitors are often used. Although the electrolytic capacitor has a larger capacity (for example, 0.1 μF to 100,000 μF) than the multilayer ceramic capacitor, there is a problem that the electrolytic solution may leak to the outside and the frequency characteristics are poor.
その他、容量の非常に大きいコンデンサとして、電気二重層コンデンサが知られている。固体電解質を用いた電気二重層コンデンサの一例として、特許文献1には、一般式Li1+x,M1 xTi2−x(PO4)3(但し、M1はAl,Y,Ga,InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、0≦x≦0.6)で示されるLiイオン伝導性化合物を用いたものが開示されている。
In addition, an electric double layer capacitor is known as a capacitor having a very large capacity. As an example of an electric double layer capacitor using a solid electrolyte,
しかしながら電気二重層コンデンサは、通常、周波数特性が極めて悪く、その用途としてはパソコンや自動車等のバックアップ電源として活用されることが殆どであり、デカップリング用途としては使用できなかった。 However, an electric double layer capacitor usually has extremely poor frequency characteristics, and is mostly used as a backup power source for personal computers, automobiles, etc., and cannot be used as a decoupling application.
本発明は上述した背景技術に鑑みて成されたものであり、新規なコンデンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the background art described above, and an object thereof is to provide a novel capacitor.
上記目的は、一般式Li1+xM1 xM2 2−x(PO4)3(但し、M1はAl,Y,Ga,InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、M2はTi,Geから選ばれる少なくとも1種の金属であり、0<x≦0.6である)で示されるLiイオン伝導性化合物を含み、膜厚が10μm以下である誘電体層と、当該誘電体層を介して対向する電極層を備えるデカップリングコンデンサによって達成される。 The object is to provide a general formula Li 1 + x M 1 x M 2 2-x (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In and La, M 2 is Ti, at least one metal selected G e or et al., 0 <include Li-ion conductive compound represented by a is) x ≦ 0.6, the film thickness is 10μm or less dielectric layers And a decoupling capacitor comprising an electrode layer facing each other through the dielectric layer.
また、上記目的は、一般式Li1+xM1 xM2 2−x(PO4)3(但し、M1はAl,Y,Ga,InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、M2はTi,Geから選ばれる少なくとも1種の金属であり、0<x≦0.6である)で示されるLiイオン伝導性化合物を含み、膜厚が10μm以下であるデカップリングコンデンサ用の誘電体層によって達成される。 The above object is also achieved by the general formula Li 1 + x M 1 x M 2 2-x (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In and La). There, M 2 is at least one metal Ti, selected G e or et al., 0 <include Li-ion conductive compound represented by a is) x ≦ 0.6, decoupling thickness is 10μm or less This is achieved by a dielectric layer for a ring capacitor.
本発明において好ましくは、前記膜厚が2μm以下である。 In the present invention, the film thickness is preferably 2 μm or less.
本発明によれば、Liイオン伝導性化合物を用いながら周波数特性に優れたデカップリングコンデンサを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a decoupling capacitor having excellent frequency characteristics while using a Li ion conductive compound.
以下、本発明について詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明者等は、当初、特許文献1に記載されている電気二重層コンデンサ用の固体電解質材料として、Liイオン伝導性化合物であるLiAlTi(PO4)3について、その物性や特性の検討を行った。
The present inventors initially examined the physical properties and characteristics of LiAlTi (PO 4 ) 3 , which is a Li ion conductive compound, as a solid electrolyte material for an electric double layer capacitor described in
当該Liイオン伝導性化合物を用いたコンデンサは、特許文献1に詳細に報告されているような掃引速度の遅い低周波領域で作動させている間は、コンデンサ容量は当該化合物の厚みに依存せず、電気二重層コンデンサとして動作している。
The capacitor using the Li ion conductive compound does not depend on the thickness of the compound while operating in a low frequency region where the sweep speed is slow as reported in detail in
しかしながら、本発明者等は、当該Liイオン伝導性化合物の物性・特性について検討を進める内に、印加する周波数やその厚みに因って従来の電気二重層コンデンサとは全く異なる挙動を示すことを見出した。 However, while the inventors have studied the physical properties and characteristics of the Li ion conductive compound, the present inventors show that it behaves completely different from the conventional electric double layer capacitor depending on the applied frequency and its thickness. I found it.
本発明者等の検討に因れば、当該Liイオン伝導性化合物を用いたコンデンサは、数kHz程度までの低周波帯においては、当該化合物の膜厚が10μm以下の時に若干の減少傾向が見られる程度で、そのコンデンサ容量は当該膜厚に殆ど依存していない。ところが、それより高周波側(例えば10kHz程度)の周波数帯になると、容量の当該膜厚に対する依存性が出現する。 According to the study by the present inventors, capacitors using the Li ion conductive compound show a slight decreasing tendency when the film thickness of the compound is 10 μm or less in the low frequency band up to about several kHz. The capacitor capacity is almost independent of the film thickness. However, when the frequency band is higher than that (for example, about 10 kHz), the dependency of the capacitance on the film thickness appears.
本発明者等は、この依存性が、当該膜厚が大きければ大きいほど高周波側における周波数特性が悪くなる(=容量変化が大きくなる)ものであることに着目し、当該膜厚を制御することにより、当該Liイオン伝導性化合物を用いながらも、周波数特性の良い、デカップリング用途に適したコンデンサが得られるのではないかと思い至ったことから、本発明を完成させるに到った。 The present inventors pay attention to the fact that this dependency is such that the greater the film thickness, the worse the frequency characteristics on the high frequency side (= capacitance change increases), and the film thickness is controlled. Thus, the present inventors completed the present invention because they thought that a capacitor having good frequency characteristics and suitable for decoupling applications could be obtained while using the Li ion conductive compound.
すなわち、本発明は特定のLiイオン伝導性化合物を誘電体として用い、当該誘電体層の膜厚が10μm以下であるデカップリングコンデンサを要旨とする。 That is, the gist of the present invention is a decoupling capacitor in which a specific Li ion conductive compound is used as a dielectric and the thickness of the dielectric layer is 10 μm or less.
本発明において誘電体層は、その膜厚が2μm以下であると更に周波数特性が改善され好ましい。 In the present invention, the dielectric layer preferably has a film thickness of 2 μm or less because the frequency characteristics are further improved.
本発明の誘電体として用いられるLiイオン伝導性化合物としては、特許文献1に記載されているLi1+xM1 xTi2−x(PO4)3(但し、M1はAl,Y,Ga,InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、0≦x≦0.6である)の一般式によって示されるLiイオン伝導性化合物を利用することができる。 As the Li ion conductive compound used as the dielectric of the present invention, Li 1 + x M 1 x Ti 2-x (PO 4 ) 3 described in Patent Document 1 (where M 1 is Al, Y, Ga, A Li ion conductive compound represented by a general formula of at least one metal selected from the group consisting of In and La (0 ≦ x ≦ 0.6) can be used.
但し、上記化合物において、Tiの一部或いは全部を、Geで置換しても本発明の作用効果が得られることが確認できていることから、本発明のLiイオン伝導性化合物は、一般式でLi1+xM1 xM2 2−x(PO4)3(但し、M1はAl,Y,Ga,InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、M2はTi,Geから選ばれる少なくとも1種の金属であり、0<x≦0.6である)と示される。 However, in the above compounds, it has been confirmed that the effects of the present invention can be obtained even if a part or all of Ti is substituted with Ge . Therefore, the Li ion conductive compound of the present invention has the general formula Li 1 + x M 1 x M 2 2-x (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In and La, and M 2 is Ti, is at least one metal selected G e or al, it is shown as 0 <x ≦ 0.6).
本発明において金属M1が含まれることにより、Liイオン伝導性が向上し、高周波側の周波数特性が向上するといった作用効果が得られる。好ましいxの範囲は、0.3≦x≦0.6である。
By the present invention smell Te include metals M 1, improved Li-ion conductivity, functions and effects such as the frequency characteristics of the high-frequency side is improved is obtained. A preferable range of x is 0.3 ≦ x ≦ 0.6.
更に本発明においては、Liイオン伝導性化合物は、そのLiの一部がMg,Ca,Mn等の二価の金属で置換されていても良い。Liの一部が二価の金属で置換されていることにより、Liの空きサイトが増加し、Liイオン伝導性の向上に伴う高周波特性の向上が期待できる。 Furthermore, in the present invention, in the Li ion conductive compound, a part of Li may be substituted with a divalent metal such as Mg, Ca, Mn. When a part of Li is substituted with a divalent metal, the number of free sites of Li increases, and an improvement in high-frequency characteristics accompanying improvement in Li ion conductivity can be expected.
また、本発明において誘電体層としては、Li系ガラスを熱処理することによって、上述したLiイオン伝導性化合物を析出させた結晶ガラス(ガラスセラミック)であってもよい。 In the present invention, the dielectric layer may be crystal glass (glass ceramic) in which the Li ion conductive compound described above is deposited by heat-treating Li-based glass.
なお、本発明において誘電体層は、焼成後の膜厚が10μm以下になるように成形する他は、特許文献1に記載されているペレットやグリーンシートとほぼ同様にして作製することもできる。
In the present invention, the dielectric layer can also be produced in substantially the same manner as the pellets and green sheets described in
例えば、Liイオン伝導性化合物の原材料を混合した後、焼成することによってLiイオン伝導性化合物を合成することができる。ここで原材料としては特に限定はなく、目的とするLiイオン伝導性化合物に用いられる金属を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩、有機化合物等から適宜選択して用いれば良い。この際、原材料の焼成条件は、目的とするLiイオン伝導性化合物に応じて適宜設定すればよく、例えば200℃〜1300℃の温度で3〜48時間焼成する。 For example, the Li ion conductive compound can be synthesized by mixing the raw materials of the Li ion conductive compound and then firing. Here, the raw material is not particularly limited, and may be appropriately selected from oxides, hydroxides, nitrates, carbonates, organic compounds, and the like containing a metal used for the target Li ion conductive compound. Under the present circumstances, the baking conditions of a raw material should just be set suitably according to the target Li ion conductive compound, for example, it bakes for 3 to 48 hours at the temperature of 200 to 1300 degreeC.
その他、本発明においてLiイオン伝導性化合物は、広く知られている噴霧熱分解法や、特開2004−067462号公報、特開2004−083372号公報に記載されている熱分解性原料粉末を気相中で熱分解する製法によって製造されても良い。これらの製法によれば、微細で粒度の揃った生成物粒子が得られ、好ましい。なお、この際の原材料や加熱条件等も目的とするLiイオン伝導性化合物に応じて適宜選択することができる。 In addition, in the present invention, the Li ion conductive compound may be a well-known spray pyrolysis method or a pyrolyzable raw material powder described in JP-A No. 2004-0667462 or JP-A No. 2004-083372. You may manufacture by the manufacturing method thermally decomposed in a phase. According to these production methods, fine and uniform product particles can be obtained, which is preferable. In addition, the raw material in this case, a heating condition, etc. can be suitably selected according to the target Li ion conductive compound.
得られたLiイオン伝導性化合物は、必要に応じてジェットミルやボールミル等を用いて粉砕した後、有機バインダー及び溶剤を加えてスラリー乃至はペーストが調製される。この際、用いることのできる有機バインダーとしては、セルロース類、ブチラール樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、アルキッド樹脂、ロジンエステル等が、また溶剤としてはアルコール系、エーテル系、エステル系、炭化水素系等の有機溶剤や水、これらの混合溶剤等を用いることができるが、本発明はこれらに限定されない。更に必要に応じて可塑剤、粘度調整剤、界面活性剤等の添加剤を加えても良い。 The obtained Li ion conductive compound is pulverized as necessary using a jet mill, a ball mill or the like, and then an organic binder and a solvent are added to prepare a slurry or paste. In this case, as organic binders that can be used, celluloses, butyral resins, acrylic resins, phenol resins, alkyd resins, rosin esters, etc., and solvents such as alcohols, ethers, esters, hydrocarbons, etc. An organic solvent, water, a mixed solvent thereof or the like can be used, but the present invention is not limited to these. Furthermore, you may add additives, such as a plasticizer, a viscosity modifier, and surfactant, as needed.
このようにして得られたスラリーやペーストを用いて焼成後の膜厚が10μm以下、好ましくは2μm以下になるように成形・乾燥することによってグリーンシート(未焼成の誘電体シート)が作製される。 A green sheet (unfired dielectric sheet) is produced by molding and drying using the slurry and paste thus obtained so that the film thickness after firing is 10 μm or less, preferably 2 μm or less. .
その後、例えば400℃〜1300℃の温度で当該グリーンシートを1〜72時間焼成することにより、本発明の誘電体層を得ることできる。 Then, the dielectric material layer of this invention can be obtained by baking the said green sheet for 1 to 72 hours, for example at the temperature of 400 to 1300 degreeC.
続いて、この誘電体層の両面に、公知の印刷法、薄膜法、塗布法、溶射法、スパッタ法、メッキ法等を用いて一対の電極層を形成することでコンデンサ構造とすることができる。 Subsequently, a capacitor structure can be obtained by forming a pair of electrode layers on both surfaces of the dielectric layer using a known printing method, thin film method, coating method, thermal spraying method, sputtering method, plating method, or the like. .
電極層形成に用いる導電材料としては、Au、Pt、Pd、Ag、Ni、Cu等の金属材料や合金材料を用いることができ、これらの金属の粉末材料を含むスラリーやペーストと用いて電極層を形成しても良いし、或いはこれらの金属を含むレジネートを用いて電極層を形成するようにしても良い。 As the conductive material used for forming the electrode layer, a metal material or an alloy material such as Au, Pt, Pd, Ag, Ni, or Cu can be used, and the electrode layer is used with a slurry or paste containing a powder material of these metals. Alternatively, the electrode layer may be formed using a resinate containing these metals.
なお、誘電体層の膜厚が薄く、その取扱いが困難である場合には、電極上に直接、スラリーやペーストを塗布や印刷等を行うようにしても良い。 If the dielectric layer is thin and difficult to handle, slurry or paste may be applied or printed directly on the electrode.
また、本発明は、積層セラミックコンデンサと同様に、誘電体層と電極層とを交互に積層した積層体に外部電極を付与した積層型のコンデンサとしても良い。 Further, the present invention may be a multilayer capacitor in which external electrodes are provided on a laminate in which dielectric layers and electrode layers are alternately laminated, similarly to the multilayer ceramic capacitor.
すなわち、前述のLiイオン伝導性化合物を含むペーストを用いてグリーンシートを形成し、導電ペーストを用いて形成される内部電極ペースト層と交互に複数層積重ねて未焼成の積層体を得た後、これを高温で同時焼成し、さらに該積層体の内部電極層が露出する端面に端子電極ペーストを塗布・焼成して内部電極層と電気的に導通した端子電極を形成することにより積層型コンデンサとすることができる。なお、積層体は、グリーンシートを用いることなく、誘電体ペースト及び電極ペーストを直接、交互に積層することによって製造しても良い。また、工程の簡略化のために、端子電極ペーストを前記未焼成の積層体端面に塗布し、該積層体と同時焼成することによって端子電極を形成する場合もある。 That is, after forming a green sheet using the paste containing the Li ion conductive compound described above, and stacking a plurality of layers alternately with the internal electrode paste layer formed using the conductive paste to obtain an unfired laminate, By simultaneously firing this at a high temperature, and further applying and firing a terminal electrode paste on the end face where the internal electrode layer of the laminate is exposed to form a terminal electrode electrically connected to the internal electrode layer, can do. The laminated body may be manufactured by directly and alternately laminating dielectric paste and electrode paste without using a green sheet. In order to simplify the process, a terminal electrode paste may be applied to the end face of the unfired laminate and fired simultaneously with the laminate to form a terminal electrode.
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例1〕
Liイオン伝導性化合物として、Li1.5Al0.5Ti1.5(PO)3を作製した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[Example 1]
As Li-ion conductive compound, to prepare a Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO ) 3.
先ず、原材料として化学量論量の硝酸リチウム、硝酸アルミニウム九水和物及びチタンラクテート(hydroxybis(lactato)titanium)を水に溶解し、水溶液を調製した。 First, stoichiometric amounts of lithium nitrate, aluminum nitrate nonahydrate and titanium lactate (hydroxybis (lactato) titanium) were dissolved in water as raw materials to prepare an aqueous solution.
この水溶液を酸素含有雰囲気中において1000℃で噴霧熱分解し、得られた生成物を回収した。 This aqueous solution was spray pyrolyzed at 1000 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and the resulting product was recovered.
回収された生成物に対して、化学量論量のリン酸二水素アンモニウムを加え、均一に混合した後に、酸素含有雰囲気中において300〜900℃の温度で4時間、焼成した。 A stoichiometric amount of ammonium dihydrogen phosphate was added to the recovered product, mixed uniformly, and then calcined at a temperature of 300 to 900 ° C. for 4 hours in an oxygen-containing atmosphere.
得られた焼成物にアセトンを加え、湿式ボールミルで12時間粉砕した後、ブチラール樹脂、メンタノール及び高分子系分散剤と共にロールミルで均一に混合することによって、上記Liイオン伝導性化合物を含むスラリーを調製した。 Acetone is added to the obtained baked product, pulverized with a wet ball mill for 12 hours, and then uniformly mixed with a roll mill together with a butyral resin, mentanol and a polymer dispersant to prepare a slurry containing the above Li ion conductive compound. did.
このスラリーを用いて、Pdの電極シート上に、焼成後の膜厚が75μmとなるように未焼成の誘電体層を形成した後、酸素含有雰囲気中において1000℃で2時間、焼成した。 Using this slurry, an unfired dielectric layer was formed on a Pd electrode sheet so that the film thickness after firing was 75 μm, and then fired at 1000 ° C. for 2 hours in an oxygen-containing atmosphere.
その後、得られた誘電体層上のPd電極層と対向する面に、スパッタ法によりAu電極層を形成してコンデンサを作製した。 Thereafter, an Au electrode layer was formed on the surface of the obtained dielectric layer facing the Pd electrode layer by a sputtering method to produce a capacitor.
その後、同様にして、焼成後の誘電体層の膜厚が57μm、37μm、25μm、20μm、15μm、7μm、4μm、2μm、1μmのコンデンサを作製した。 Thereafter, in the same manner, capacitors having a fired dielectric layer thickness of 57 μm, 37 μm, 25 μm, 20 μm, 15 μm, 7 μm, 4 μm, 2 μm, and 1 μm were produced.
それぞれのコンデンサに対し、インピーダンス測定装置“65120B”(Wayne Kerr Elctronics社製)を用いて、AC振幅電圧100mVで、20Hzから120MHzの範囲で周波数特性を測定した。 For each capacitor, frequency characteristics were measured in the range of 20 Hz to 120 MHz with an AC amplitude voltage of 100 mV using an impedance measuring device “65120B” (manufactured by Wayne Kerr Electronics).
その結果を図1に示す。なお、図1において横軸は誘電体(Liイオン伝導性化合物)の膜厚、縦軸は1kHzにおける容量を基準にした高周波領域における容量維持率を示す。 The result is shown in FIG. In FIG. 1, the horizontal axis represents the film thickness of the dielectric (Li ion conductive compound), and the vertical axis represents the capacity retention ratio in the high frequency region based on the capacity at 1 kHz.
この図1から明らかなように、誘電体の膜厚が10μm以下になると、10kHzまで容量を維持できるようになり、更に誘電体の膜厚が2μm以下になると1MHzまで容量を維持できるようになる。 As is apparent from FIG. 1, when the dielectric film thickness is 10 μm or less, the capacity can be maintained up to 10 kHz, and when the dielectric film thickness is 2 μm or less, the capacity can be maintained up to 1 MHz. .
なお、上記各コンデンサに直流電圧を印加しても静電容量が変化しなかったことから、本発明のコンデンサはDCバイアス特性を備えないものであることが確認された。
〔実施例2〕
Liイオン伝導性化合物として、Li1.5Al0.5Ti1.5(PO)3に代えてLi1.3Al0.3Ge1.7(PO)3を用いた以外は実施例1と同様の実験を行ったところ、図1とほぼ同じ周波数特性が得られた。
Since the capacitance did not change even when a DC voltage was applied to each capacitor, it was confirmed that the capacitor of the present invention does not have a DC bias characteristic.
[Example 2]
Example 1 except that Li 1.3 Al 0.3 Ge 1.7 (PO) 3 was used in place of Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO) 3 as the Li ion conductive compound. As a result of the same experiment, the same frequency characteristics as in FIG. 1 were obtained.
Claims (4)
当該誘電体層を介して対向する電極層を備える
ことを特徴とするデカップリングコンデンサ。 General formula Li 1 + x M 1 x M 2 2-x (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In and La, and M 2 is Ti is at least one metal selected G e or et al., 0 <include Li-ion conductive compound represented by a is) x ≦ 0.6, and the dielectric layer is a film thickness of 10μm or less,
A decoupling capacitor comprising an electrode layer facing through the dielectric layer.
膜厚が10μm以下である
ことを特徴とする、デカップリングコンデンサに用いられる誘電体層。 General formula Li 1 + x M 1 x M 2 2-x (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In and La, and M 2 is Ti is at least one metal selected G e or et includes 0 <x ≦ 0.6) Li-ion conductive compound represented by,
A dielectric layer used for a decoupling capacitor, wherein the film thickness is 10 μm or less.
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