JP5905777B2

JP5905777B2 - コンデンサ

Info

Publication number: JP5905777B2
Application number: JP2012115688A
Authority: JP
Inventors: 雅昭名古屋; 幸史郎杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: JP2013243260A

Description

本発明は、小型、高容量のコンデンサに関する。

近年、コンピュータ機能を向上させたモバイル電子機器の普及が急速に進展しつつある。このようなモバイル電子機器は、通信機能に加えて画像出力機能や情報記憶機能など多様な機能を備えるものになっていることから、各種機能に対応した半導体素子が数多く搭載されており、また、これらの半導体素子の動作特性を安定化させるための整流素子である電子部品の数も多くなってきており、更なる小型化が要求されてきている。

このような電子機器に用いられる主要な電子部品として、例えば、コンデンサがある。コンデンサは、一般に誘電体層とその両主面の略全面を覆うように形成された導体層とが交互に積層された構成となっており、小型化と高容量化とを両立させるために、誘電体層および導体層のさらなる薄層化が進められている（例えば、特許文献１を参照）。

この場合、コンデンサを小型化しようとして誘電体層を薄層化すると、誘電体層に導体層が埋設しにくくなり、誘電体層との間の接着力が弱くなることから誘電体層と導体層との間が剥離しやすくなる。

このような課題に対して、例えば、導体層を形成するための導体ペースト中に共材としてセラミック粉末を含ませるか、またはバインダ量を調整することにより、図７に示すように、導体層１０３の面内に金属膜の欠損した部分（以下、欠損部１００という。）を形成し、この欠損部１００内に誘電体層１０１を構成する材料の一部を侵入させて誘電体層１０１と導体層１０３とを一体化させることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

ところが、特許文献１に開示された方法は、金属粉末同士又はセラミック粉末同士がそれぞれ焼結して導体層１０３の金属部分を自然に部分的に切れさせて欠損部１００を形成するものであることから、このような方法によって得られた導体層１０３中の欠損部１００には、通常、大きな寸法のばらつきがあり、このため欠損部１００を設けた分だけコンデンサの静電容量が低くなるという問題があった。

特開平５−９００６４号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、誘電体層と導体層との間の層間剥離を防止できるとともに、高い静電容量を得ることのできるコンデンサを提供することを目的とする。

本発明のコンデンサは、該誘電体層の両主面を覆うように形成された導体層とを有するコンデンサであって、前記導体層はその面内に前記誘電体層を被覆しない欠損部を複数有しており、各欠損部の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄｘが前記誘電体層の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、前記欠損部の円相当径Ｄの標準偏差σを前記平均値Ｄｘで除した値（σ／Ｄｘ）で表わされる前記欠損部の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下であり、かつ前記導体層の一部が前記欠損部の内側に延びた凸部を有しているものである。

本発明によれば、誘電体層と導体層との間の層間剥離を防止できるとともに、高い静電容量を得ることのできるコンデンサを得ることができる。

本発明のコンデンサの一実施形態を示す断面模式図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、誘電体層の上面および下面に、欠損部を有する導体層を配置して形成したコンデンサにおける導体層間の電気力線の分布を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）と欠損部のサイズは同等であるが誘電体層の厚みが薄い場合、（ｃ）は（ｂ）と誘電体層の厚みは同等であるが、欠損部のサイズが小さい場合である。本実施形態の他の態様を示すもので、積層型のコンデンサの一例を示す断面模式図である。（ａ）、（ｂ）は、誘電体層の上面に異なるサイズの欠損部を有する導体層を配置して形成したコンデンサの断面模式図である。図４（ａ）、（ｂ）の構造についてのシミュレーション結果であり、誘電体層１に強誘電体を適用したコンデンサの比誘電率の交流（ＡＣ）電圧依存性を示すものである。本実施形態のコンデンサに適用する他の導体層の一例を示すものであり、欠損部の内縁に凸部を設けたものである。従来のコンデンサにおける導体層に形成された欠損部の形状を表す模式図である。

図１は、本実施形態のコンデンサを示す断面模式図である。

本実施形態のコンデンサは、誘電体層１と、この誘電体層１の両主面を覆うように形成された導体層３とを有するものであり、この導体層３は、その面内に誘電体層１を被覆しない欠損部５を複数有している。

また、このコンデンサは、各欠損部５の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層１の平均厚みの２５〜８５％であり、また、欠損部５の円相当径Ｄの標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部５の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下である。

これによりコンデンサを構成する導体層３に欠損部５が数多く形成されていたとしても導体層３の有効面積に比して、より高い静電容量を出力するコンデンサを得ることができる。

本発明は製造されるコンデンサの静電容量にばらつきが発生するという課題に着目したものであり、コンデンサを構成する導体層３に欠損部５が形成されている場合でも、誘電体層１の厚みと導体層３の欠損部５のサイズとの関係および欠損部５のサイズのばらつきを所定の範囲にすることにより、導体層３に欠損部５を有する場合でも高い静電容量を得ることのできる構造を見出したものである。この場合、コンデンサの誘電体層１と導体層３との間の剥離（デラミネーション）を抑制するという理由から欠損部５には誘電体層１を構成する材料が充填されているのがよい。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、誘電体層１の上面および下面に、欠損部５を有する導体層３を配置して形成したコンデンサにおける導体層３間の電気力線７の分布を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）と欠損部５のサイズは同等（ａ５＝ｂ５）であるが誘電体層１の厚みが薄い場合（ｔ１＞ｔ２）、（ｃ）は（ｂ）と誘電体層１の厚みは同等（ｔ２＝ｔ３）であるが、欠損部５のサイズが小さい場合（ｂ５＞ｃ５）である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、対向して配置された２つの導体層３（正極、負極）間に発生する電気力線７の状態を表すために、便宜上、誘電体層１を描いていないが、２つの導体層３間には比誘電率が空気よりも高い誘電体が配置されているものとする。

図２（ａ）に示すように、誘電体層１の両面に配置された２枚の導体層３に電圧が印
加されると、正極の導体層３と負極の導体層３との間には直線的な電気力線７が生じるが、この電気力線７は導体層３の欠損部５においては欠損部５の中央９側に広がるような分布を取るようになる。便宜上、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、欠損部５を対向する導体層３同士の同じ箇所に設けているが、欠損部５の位置が異なる場合でも、一方の導体層３に欠損部５が形成されている場合には欠損部５付近の電気力線７は図２（ａ）における欠損部５付近の電気力線７と同様、広がりをみせる分布となることから、ここでは欠損部５を対向する導体層３同士の同じ箇所に設けた構成を示した。

導体層３に欠損部５が形成されている場合、電気力線７の欠損部５における電界の回り込みによって、図２（ａ）において符号ａ５で示される欠損部５のうち、電気力線７の密度の低い範囲（符号ａ１）を除く部分（電気力線の密度が所定の値よりも高い範囲）は電気的に接続された状態となっている。このため見かけ上、静電容量の発生に有効に作用する部分となる。

ところが、導体層３に形成された欠損部５における電気力線７の回り込みは対向した位置にある２枚の導体層３の間隔が狭くなるに従い小さくなる。このため誘電体層１の厚みが薄くなってくると、図２（ｂ）に示すように、欠損部５において電気力線７の回り込みによって電気的に接続される部分の割合が小さくなり、電気力線７の密度の低い範囲（符号ｂ１）が大きくなる。このため誘電体層１の厚みを薄くした場合、欠損部５のサイズが図２（ａ）と同等である場合には、欠損部５に静電容量の発生に寄与しない領域が増えてくる。

そこで、図２（ｃ）に示すように、対向する２枚の導体層３の間隔を狭くしたとき（誘電体層１の厚みを薄くした）ときには、それに応じて、導体層３に形成される欠損部５のサイズを小さくするのがよい。これにより導体層３に形成された欠損部５内において、静電容量の発生に寄与しない領域（図２（ｃ）の符号ｃ１の領域）を小さくすることができ、これにより静電容量の発生に有効な部分の割合を増やすことができる。

なお、導体層３の欠損部５の存在による静電容量の低下への対策として欠損部５の数を少なくする方法も考えられるが、この場合、欠損部５の減少により、この欠損部５を誘電体層１の材料が貫通して形成される架橋部分の数も減少するため、誘電体層１と導体層３との間の接着強度が低下し層間の剥離（デラミネーション）が起こりやすくなる。

これに対し、本実施形態のコンデンサは、導体層３に形成された欠損部５の合計面積、つまり誘電体層１の材料によって架橋された部分の総面積を変えることなく、誘電体層１と導体層３との間の剥離を防止しつつ静電容量を向上させることができる。

なお、各欠損部５の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層１の平均厚みの２５％より小さい場合には、誘電体層１と導体層３との間が剥離しやすくなり、また、各欠損部５の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層１の平均厚みの８
５％より大きい場合にはコンデンサの静電容量が低下することになる。

また、欠損部５の円相当径Ｄの標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部５の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％よりも大きい場合には、導体層３に形成された複数の欠損部５のうち一部の欠損部５において、静電容量の発現に寄与しない部分が増えるため、この場合にも静電容量が低くなってしまう。

このため誘電体層１と導体層３との間の剥離を防止できるとともに高い静電容量を得るための構造として、各欠損部５の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層１の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、欠損部５の円相当径Ｄの標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部５の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下であるのがよい。

本実施形態のコンデンサは、図１に示した単層のコンデンサに限らず、誘電体層１と導体層３とがそれぞれ複数層積層されて構成された積層型のコンデンサにも適用できる。図３は、本実施形態の他の態様を示すもので、積層型のコンデンサの一例を示す断面模式図である。この実施形態のコンデンサは誘電体層１と導体層３とがそれぞれ複数層積層された積層体４と、この積層体４の対向する端面に外部電極７が設けられた構成となっており、特に、誘電体層１が強誘電体によって構成されている。

図４（ａ）、（ｂ）は、誘電体層１の上面に異なるサイズの欠損部５を有する導体層５を配置して形成したコンデンサの断面模式図である。図５は、図４（ａ）、（ｂ）の構造についてのシミュレーション結果であり、誘電体層１に強誘電体を適用したコンデンサの比誘電率の交流（ＡＣ）電圧依存性を示すものである。この場合、図４の（ｂ）は（ａ）よりも導体層３の欠損部５のサイズが小さくなっている。誘電体層１の厚みｄは（ａ）（ｂ）ともに同じである。また、（ａ）のコンデンサの導体層３の総面積Ｓと（ｂ）のコンデンサの導体層３の総面積Ｓ’とは同じである。

コンデンサの誘電体層１に導体層３を介して交流（ＡＣ）電圧Ｖ_ＡＣを印加すると、（ａ）のコンデンサの全体にはＥ_ＡＣ、（ｂ）のコンデンサの全体にはＥ’_ＡＣの電界強度がそれぞれ発生する。

この場合、（ａ）のコンデンサにおいて欠損していない導体層３（図４（ａ）のＳ３の領域）の部分的な電界強度Ｅ１（＝Ｖ１／ｄ）と、（ｂ）のコンデンサにおいて欠損していない導体層３（図４（ｂ）のＳ３’の領域）の部分的な電界強度Ｅ１’は同等（Ｅ１＝Ｅ１’）である。誘電体層１の比誘電率も同等である（ε１＝ε１’）。

しかしながら、（ｂ）のコンデンサにおける導体層３（Ｓ３）に隣接する欠損部５は、（ａ）のコンデンサよりも欠損部５のサイズが小さいために電気力線７の密度が高くなっている。このため（ｂ）のコンデンサのＳ３’の導体層３に隣接する欠損部５の電界強度Ｅ２’は、（ａ）のコンデンサのＳ３の導体層３に隣接する欠損部５の電界強度Ｅ２よりも高くなる。この場合、誘電体層１の比誘電率は、Ｓ３’の導体層３に隣接する欠損部５の電界強度Ｅ２’の比誘電率（ε２’）の方がＳ３の導体層３に隣接する欠損部５の電界強度Ｅ２の比誘電率（ε２）よりも高くなる。

上述した本実施形態のコンデンサによれば、導体層３の面積（欠損部５を除いた面積）は同じであっても、欠損部５のサイズが小さい場合には部分的な電界強度の低下が小さいために欠損部５においても比誘電率の低下を抑えることができるが、これに加えて、誘電体層１に強誘電体を適用した場合には、欠損部５の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層１の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、欠損部５の円相当径Ｄの
標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部５の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下という条件にすると、この条件を満たさない場合に比較して印加する交流電圧を変化させたときの静電容量の変化率を大きくすることができる。

図６は、本実施形態のコンデンサに適用する他の導体層３の一例を示すものであり、欠損部５の内縁に凸部を設けたものである。本実施形態のコンデンサでは、導体層３として、欠損部５の内縁に中心方向に向いた尖り部９を有しているものを適用させることが望ましい。コンデンサに電圧が印加されると、導体層３には電荷が導入された状態となるが、この場合、同じ符号の電荷同士は相互に強い反発力が作用することから、電荷が自由に移動できる導体層３の内部では、電荷は、通常、反発力を緩和するために、導体層３の角部や縁端部に分布するようになる。このため導体層３の角部や縁端部は電気力線の密度（面積密度）が大きくなり、これにより部分的に電界強度を高めることができる。そこで、導体層３に形成した欠損部５として、図６に示すように、欠損部５の内縁に中心方向に向いた尖り部９を有する形状のパターンを適用することによって、尖り部９に電荷が集中するため、欠損部５付近に形成される電気力線の密度が高くなり、これにより誘電体層１の比誘電率が高まり、コンデンサの静電容量を向上させることができる。

本実施形態のコンデンサを構成する誘電体層１は、セラミックスや有機材料などの誘電性あるいは強誘電性を示す各種材料を適用することができる。誘電体層１の平均厚みは、静電容量の向上および耐電圧の両特性を向上させるという理由から、例えば、０．５〜１０μｍであることが望ましい。

導体層９の材料は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属材料またはこれらの合金、あるいはニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの卑金属材料またはこれらの合金を主成分とするものが望ましい。この場合、コンデンサを例えば高積層化して導体層３数を増やしても製造コストを抑制できるという点で、ニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）などの卑金属が望ましい。

次に、本実施形態のコンデンサを製造する方法について説明するが、以下に記載する製造方法は一例であり、この方法のみに限定されるものではない。

まず、誘電体層１としてセラミックシート、有機樹脂シートなどの誘電体シートを準備する。次に、この誘電体シートの表面に導体層３を形成し、この両表面にさらに導体層３を付与していない誘電体シートを積層することによって本実施形態のコンデンサを得ることができる。導体層３としてはメッキ膜または蒸着膜を適用するのが望ましいが、金属粉末を含む導体ペーストをパターン印刷して形成する方法でも可能でなる。なお、誘電体シートとして粒子状のセラミックスを用いた場合には、誘電体シートと導体層とを積層した後に所定の温度条件にて加熱して焼結させる。

以下、誘電体層にセラミックスまたは有機樹脂を適用した実施例を挙げて本発明のコンデンサを詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、チタン酸バリウム粉末を主成分として含むセラミックグリーンシートを作製した。次に、このセラミックグリーンシートの一方の主面にＮｉを主成分とする導体パターンを形成した。導体パターンとしては、Ｎｉを主成分とし、主面上に円形状の欠損部を複数個均等な配置になるように形成したメッキ膜を用いた。また、円形状の欠損部の内縁に中心方向に向いた尖り部を有する図６に示したパターン形状のものも用いた。欠損部のサイズおよび配置はメッキ膜を形成する際にマスクを用いてパターン加工して調整した。導体層はいずれもコンデンサの導体層としたときに、欠損部を除いた金属部分の面積が同じに
なるようにした。

次に、導体パターンを形成したセラミックグリーンシートを１０層積層し、容量発生部となる積層体を形成した後、この仮積層体の両面に導体パターンを付与していないセラミックグリーンシートを各５層ほど積層して積層体を作製した。

次に、この積層体を水素−窒素中にて焼成してコンデンサ素体を作製した。焼成時の最高温度は１１００℃とし、５０００℃／ｈの昇温速度（最高温度を通過する時間は５分）にて焼成した。このようにして得られたコンデンサ素体の端面に銅を主成分とする導体ペーストを塗布し、窒素雰囲気中、８００℃の条件にて加熱して外部電極を形成した。得られたコンデンサのサイズは長さが０．９５ｍｍ、幅が０．４５ｍｍであり、導体層の有効面積は０．７０ｍｍ×０．３ｍｍであった。

また、セラミックグリーンシートの表面に、Ｎｉ粉末を主成分とする導体ペーストを印刷して導体パターンを形成し、焼結させたコンデンサもメッキ膜を用いた場合と同様の層構成および焼成条件にて作製した。このときの導体パターンは印刷エリアの全面に導体ペーストを塗布して形成した（試料Ｎｏ．１９）。

また、誘電体層にポリブタジエン樹脂を適用したコンデンサの試料を作製した。この場合、ポリブタジエンを主成分とする有機樹脂シートの表面にＡｇを蒸着して導体層とし、これをセラミックコンデンサと同様、５層積層し、さらに、この両面に導体層を形成していない有機樹脂シートを各々５層積層して、２５０℃の温度で加圧加熱を行って積層体を形成した。積層体の端面には外部電極として銅を主成分とするメタリコン電極を形成した。得られたコンデンサのサイズおよび導体層のパターン（欠損部のパターン（サイズ、分布））はセラミックスの場合と同様とした。

次に、得られたコンデンサに対して以下の測定を行なった。誘電体層の厚みは、コンデンサを樹脂中に埋めこみ、コンデンサの中央付近まで研磨し、得られた断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察して写真を撮り、誘電体層の厚みをほぼ等間隔に２５点測長した平均値から求めた。

導体層の欠損部の平均径については、コンデンサを積層面に沿って中央付近で剥離し、露出した導体層面の中央部をＳＥＭを用いて観察した。この観察像から欠損部の面積を測定し、それぞれを円形に置き換えたときの直径を欠損部の円相当径とした。測定に供した欠損部の個数は視野内に５０〜１００個ほど入る面積とした。この測定によって求めた欠損部の円相当径から標準偏差（σ）と平均値（ｘ）を求めた。また、欠損部を除いた導体層の被覆率は欠損部の合計面積を視野面積で除して百分率として求めた。

静電容量の測定はＬＣＲメータ（ヒューレットパッカード社製）を用いて、温度２５℃、周波数１．０ｋＨｚ、ＡＣ電圧は電界強度が０．１Ｖ／μｍ、１．０Ｖ／μｍとなるように電圧を適宜調整し、２０個のチップを測定しその平均値を算出した。

コンデンサの積層面の剥離の状態（デラミネーションの有無）は焼成後のコンデンサ素体を樹脂埋めし、研磨によって露出した断面を光学顕微鏡にて観察することにより確認した。

表１の結果から明らかなように、欠損部の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、欠損部の円相当径Ｄの標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下である試料Ｎｏ．１〜４、９、１０〜１３および１８では、デラミネーションが無く、誘電体層に有機樹脂を適用したコンデンサの静電容量が０．１５６ｎＦ以上、誘電体層に強誘電体を適用したコンデンサの静電容量が６２．９０ｎＦ以上であった。

誘電体層に強誘電体を適用した試料Ｎｏ．１０〜１３および１８のコンデンサは、測定時の交流（ＡＣ）電圧を０．１Ｖ／μｍから１Ｖ／μｍに変化させたときに、欠損部の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、欠損部の円相当径Ｄの標準偏差σを前記平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下という条件を満たさない試料に比較して静電容量の増加率が大きかった。

また、導体層として、欠損部のパターンを図６に示すような円形状の欠損部の内縁に中心方向に向いた尖り部を有する形状を適用した試料Ｎｏ．９および１８は、同じＤｘ／ｔおよびＣＶを示す試料（試料Ｎｏ．３、１２）に比較して高い静電容量を示した。

これに対し、導体層が、欠損部の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄ_ｘが誘電体層の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、欠損部の円相当径Ｄの標準偏差σを平均値Ｄ_ｘで除した値（σ／Ｄ_ｘ）で表わされる欠損部の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下という条件を満たさない試料（試料Ｎｏ．５〜８、１４〜１７）は、上述のコンデンサの試料に比較して、それぞれ静電容量が低いか、デラミネーションの発生が認められた。

また、導体層を導体ペーストを用いて作製した試料（試料Ｎｏ．１９）は、デラミネーションは認められなかったが、静電容量が０．１Ｖ／μｍの交流電圧下で５５．０１ｎＦ、１Ｖ／μｍの交流電圧下で６８．７６ｎＦとなり、いずれも試料Ｎｏ．１〜４、９、１０〜１３および１８の試料よりも低かった。

１、１０１・・・・・・・・・・・誘電体層
３、１０３・・・・・・・・・・・導体層
４・・・・・・・・・・・・・・・積層体
５、１００・・・・・・・・・・・欠損部
７・・・・・・・・・・・・・・・電気力線
９・・・・・・・・・・・・・・・尖り部

Claims

誘電体層と、該誘電体層の両主面を覆うように形成された導体層とを有するコンデンサであって、前記導体層はその面内に前記誘電体層を被覆しない欠損部を複数有しており、各欠損部の面積から求められる円相当径Ｄの平均値Ｄｘが前記誘電体層の平均厚みの２５〜８５％であるとともに、前記欠損部の円相当径Ｄの標準偏差σを前記平均値Ｄｘで除した値（σ／Ｄｘ）で表わされる前記欠損部の円相当径Ｄのばらつき（ＣＶ）が０．６％以下であり、かつ前記導体層の一部が前記欠損部の内側に延びた凸部を有していることを特徴とするコンデンサ。
前記誘電体層が強誘電体により構成されており、前記導体層と交互に複数積層されていることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ。
前記凸部は尖り部であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンデンサ。