JP6329141B2 - プラスチック体を含む接続要素を備える電気素子 - Google Patents

Description

本発明は、素子、特にほぼセラミック製とした素子本体を備える容量素子に関する。

容量素子は、パワー半導体の分野など、様々な分野に使用することができる。半導体スイッチ、例えばIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はMOSFET（モス電界効果トランジスタ）は、大きな電流及び電圧要件を満たすために、外部容量素子に接続する配線を必要とする。これらスイッチに関して高い効率性を得るためには、外部容量素子が可及的に小さなインダクタンスで半導体スイッチに接続できるようにすること、換言すれば、これら外部容量素子が小さな自己インダクタンスを有し、半導体近傍に接続できるようにすることが不可欠である。これに加えて、上述したような容量素子においては高温が生じる。このような高温は、一方では素子の半導体アクティブ領域の効率を高めるから望ましいが、他方では接続技術を困難にする。このように、素子にとっての必須要件とは、大きな容量密度と、高温下における良好な絶縁能力である。斯かる要件に関して、フィルムコンデンサ及びアルミニウム電解コンデンサは、技術的な温度制限により使用することができない。しかしながら、チタン酸バリウム系による既知のコンデンサも、上述した要件をこれまでのところ満たすことができない。その理由は、一方で高温変化に対して安定性を有する外側端子が不可欠であり、他方で高温下で劣化していく絶縁性に関する不都合な材料特性によるものである。

セラミックコンデンサの外側端子は、複数の要件を満たす必要がある。例えば、素子を他の電子回路装置（例えばDCB（直接銅接合）基板）に堅固に接続するために、外側端子は十分な機械的安定性を有していなければならない。このような接続部は、動作時の電歪力及び温度変化によって引き起こされ得る機械的応力を受けるものである。この場合の温度変化は、環境により又は素子のスイッチングに伴う電流通過に起因した自己発熱により生じる。また、製造時のはんだ付け又は焼結でも温度が生じる可能性がある。この場合の温度は一度しか生じないものだが、許容可能な最大動作温度に比べて大きい。

良好な導電性を有する金属、例えば銅又は銀は、電気的要件及び温度安定性を保証する上で適している。しかしながら、セラミック及び金属における異なる膨張係数により、セラミック素子本体及び外側端子の移行部に機械的応力が生じ、このような機械的応力が接続部の寿命に悪影響を及ぼす。従来の構成においては、例えばより小さな膨張係数を有する金属を使用することで妥協を図ってきたが、これら金属においては導電性の低下が避けられない。他の方法として、適切な形状（例えば曲折形状）を採用することにより応力の緩和を図るものがあるが、この方法ではインダクタンスを最適化できないだけでなく、製造時に一定の手間がかかる。更に、動作時における接続部の温度安定性の問題が残る。この点は、はんだ接合とすれば、鉛含有の高温はんだで回避することができるが、使用する材料（RoHs）及び信頼性の問題により、完全な支持を得られているとはいえない。

上述した事情に鑑み、本発明の課題は、特に温度変化の影響を受けにくいように改善した外側端子を備える素子を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する素子によって解決される。請求項１に記載の素子は、素子本体と、金属層を介して素子本体に結合され、かつプラスチック体を含む少なくとも１個の接続要素とを備える。この場合の結合は直接的である必要はなく、プラスチック体及び素子本体間には更なる層が設けられていてもよい。

本発明の趣旨とは、素子本体及び接続要素間における電気的又は機械的な結合に関連づけられた各材料の利点を活かすために、外側端子への機械的及び電気的な要求を分け、そしてこれら材料を組み合わせることにより、信頼性の高い端子を得ることである。この場合の端子は、一方では熱応力と、該熱応力に伴って端子領域に生じる機械的応力に関する要件を満たし、他方では僅かなインダクタンスと、小さな直列抵抗による大きな電流容量という電気的要件を満たすものである。

機械的要件は、接続要素が含むプラスチック体によってほぼ満たされる。このプラスチック体は、可撓性を有することにより、熱応力と該熱応力に伴って生じる機械的応力の影響を受けにくい。プラスチック体及び素子本体間に設けられた金属層は、電気的特性に関して最適化されるものである。この場合に金属層は、例えば銀又は良好な電気的特性、特に良好な導電性を有する他の材料を含むか又は構成される。

一実施形態において、接続要素の形状を実質的に構成するプラスチック体は、角として形成されている。換言すれば、プラスチック体は、素子本体に隣接して配置される第１部分と、第１部分に対して角度付きで延在する第２部分を有する。この場合に第１部分は、大平面に亘って確実な接触を可能にし、第２部分は、素子に接触するために機能し、例えば基板に結合することができる。第１及び第２部分間における角度をほぼ90°とすれば、素子を安定的に配置することが可能である。なぜならこの場合、素子が第２部分上に確実に配置され、この位置で取り付けができるからである。この場合の角度は、第１及び第２部分の断面が延在する交点方向によって規定される。

一実施形態において、プラスチック体は、その外側の少なくとも一部にメタライズ層を有する。このメタライズ層は、導電性の薄層であり、素子本体及び接続要素を結合する金属層に比べて層厚が小さい。この場合に層厚は、例えば75〜150μm、好適には100〜125μmとする。このようなメタライズ層は、例えば銅を含むか又は銅で構成される。有利には、このような銅層（層厚75〜150μm、好適には100〜125μm）上には、層厚が２〜6μm、好適には３〜５μmの薄い銀層が設けられる。有利には、メタライズ層は、金属層に向けて及び／又は金属層の下方において延在することにより、素子本体への電気接触が金属層を介してだけでなくプラスチック体に沿って可能になる。言うまでもなく、プラスチック体全体にメタライズ層を設けることも想定可能である。この場合、製造の簡素化及び良好な導電性が実現される。プラスチック体上のメタライズ層により、電流及び電圧がプラスチック体に沿って金属層に供給され、更に該金属層を介して素子本体に供給される。

一実施形態において、プラスチック体の第２部分には、金属層に導電結合される接続面が設けられる。この接続面は、例えば焼結層としてメタライズ層上に設けることができる。接続面は更に、素子の取り付け時に、はんだ付けによってプリント基板又は基板に結合することができる。一実施形態における焼結層は、ニッケル-金-パラジウム層上に設けられる。このニッケル-金-パラジウム層は、プラスチック体全体に設けることもできる。良好な導電性を有するニッケル-金-パラジウム層は、薄膜技術を利用して設けることができる。

一実施形態において、プラスチック体は、良好な機械的特性を有するポリエーテルエーテルケトン（PEEK）又はポリイミド群の材料を含む。プラスチック体におけるこの材料は、温度安定性及び可撓性を有するため、動作時における機械的応力を吸収して該応力に耐えることができる。

一実施形態において、金属層は焼結した銀を含む。焼結とは、材料を製造するための方法のことである。焼結においては、一般的に高圧下で、細粒状のセラミック又は金属材料がその溶融温度以下に加熱される。上述の金属層は、約250℃以下の温度で焼結することができる。この場合に金属層は、温度安定性を有すると共に、はんだ付け時のみならず動作時にも溶融することがない。代替的には、他の材料を焼結により設けてもよい。接続面は、金属層と同一の製造ステップ及び材料で製造することができる。接続要素における焼結層及び素子本体間の結合は、はんだ付けによって行うことができる。

一実施形態において、金属層は、細長の帯状形状を有すると共に、厚さに対する幅比が６よりも大きく、特に30よりも大きい。この場合の形状及び大きさは、素子本体の接触すべき側面にほぼ対応させることができる。導体におけるこの平坦な形状は、接触したときに素子の誘導性挙動に関して特に有利である。

一実施形態において、金属層は、素子本体のスパッタ又は焼き付き層及びプラスチック体のメタライズ層間に配置される。スパッタ又は焼き付き層は、素子本体内で内部電極に接続される。このような素子本体は、セラミック製の誘電体層及び内部電極を有するコンデンサ本体とするのが有利である。この場合に誘電体層は、例えば反強誘電性ペロブスカイトを含むことができる。この材料を、例えば銅より成る内部電極と共に使用すれば、チタン酸バリウム（BaTiO3）を主成分とするシステムが高温に晒されたときに生じるリーク電流の問題が解決される。このようなシステムは、パワーエレクトロニクスの分野で一般的なものである。

一実施形態において、素子本体は、直方体状であると共に、素子本体の互いに対向する側において２個の角状の接続要素を有する。この場合の配置は、コンパクトでありながら安定している。この実施形態により小さな寸法が実現され、またこのような小さな寸法は、セラミックの良好な抵抗及び接続要素の確実な結合と併せて、素子を半導体モジュールに高温下で統合する場合にも好適である。

本発明の他の有利な構成は、従属請求項に記載したとおりである。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。

一実施形態に係る容量素子を示す説明図である。 一実施形態に係る素子の素子本体を示す断面図である。 他の実施形態に係る素子の素子本体を示す断面図である。 接続要素及び素子本体間における結合を示す詳細図である。

図１は、直方体状としたセラミック製の素子本体１を備える容量素子を示す。素子本体１の寸法は、例えば７×７×2.5mmとしてもよいし、7.5×7.5×3.5としてもよい。この場合に使用するセラミックは、例えば反強誘電性のチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（PLZT）セラミックとすることができる。

素子本体１の互いに対向する側には、第１部分及び第２部分21，22を含む角として形成された２個の接続要素２が設けられている。これら接続要素２は、該接続要素２の形状に対応するプラスチック体23を含む。接続要素２により、素子本体１が保持されると共に、動作電圧及び電流を素子に印加することが可能になる。第１部分21は、金属層３を介して素子本体１の側面に隣接して結合されている。第２部分22は、第１部分21に対してほぼ直角に延在し、例えばSMD端子によって素子への接触を可能にする。この場合に接続要素２の寸法は、素子本体１の寸法に対応している。即ち、上述した例に従えば、接続要素２の幅は７〜7.5mm、高さは2.5〜3.5mmである。

図２は、一実施形態に係る素子の素子本体１における断面図を示す。

図示の実施形態における素子本体１は、多層構造を有し、例えばスパッタリングを施したものとすることができる。素子本体１は、セラミック製の誘電体層９を含み、これら誘電体層９間には、例えば銅で構成された第１及び第２内部電極7，8が交互に配置されている。図示の実施形態における積層方向とは、素子本体１の高さ方向に対応するものである。第１内部電極７は、一方の外側まで延在し、接続面として機能するスパッタ又は焼き付き層11を介して電気接続されている。第２内部電極８は、対向する他方の外側まで延在し、接続面として機能するスパッタ又は焼き付き層11を介して電気接続されている。素子本体１は、一体的に又は複数個のカスケード結合された個別セラミックで構成することができる。動作に際しては、接続要素２を介して供給される電圧が接続面間に印加される。

図３は、他の実施形態に係る素子の素子本体１における断面図を示す。

この場合の素子本体１は、内部電極の配置に関して、上述した実施形態とは異なるものである。図示の実施形態において、第１内部電極７は、一方の外側まで延在し、接続面として機能するスパッタ又は焼き付き層11を介して電気接続されている。第２内部電極８は、対向する他方の外側まで延在し、接続面として機能するスパッタ又は焼き付き層11を介して電気接続されている。隣接する第１及び第２内部電極は、同一平面内で、互いに離間して配置されている。これら平面間には、接続面に接続されていない第３のいわゆる埋設電極６が配置されている。電界又は電流の流れは、ほぼ積層方向に生じる。図示の実施形態における内部電極の配置は、内部直列接続に対応している。

図４は、セラミック製の素子本体１及び接続要素２間における結合箇所を詳細に示す。

この場合の接続要素２は、該接続要素２の形状を規定するプラスチック体23を含む。このプラスチック体23に使用する材料は、耐熱性及び可撓性を有するプラスチック、特に耐熱性及び柔軟性を有するポリマーであり、例えばポリエーテルエーテルケトン（PEEK）又はポリイミドを含むことができる。プラスチック体23は可撓性を有するため、動作時における機械的応力により材料破壊が生じることがない。

接続要素２は更に、プラスチック体23上に設けられ、例えば銅及び銀より成るメタライズ層24を含む。この場合にメタライズ層24は、導線状などに構造化して、若しくは（大）平面に亘って、例えば下側から素子本体１に対向する側のプラスチック体23に延在させるか、又は全面に亘ってプラスチック体23の外側を被覆するものとすることができる。特に、金属層３から離れた領域、例えば素子本体１から離れた側の接続要素２において、メタライズ層24の塗布は任意である。

メタライズ層24及び焼き付き又はスパッタ層11間には、例えば焼結した銀層とすることができる金属層３が設けられている。銀層は、例えば素子本体１上又は接続要素２上に焼結し、その後にはんだ付けなどで素子の他の部分に結合することができる。代替的には、この場合の結合を焼結で行ってもよい。銀層は、抵抗が小さく良好な導電性を示すのみならず、温度安定性を有するため、はんだ付けや動作時における温度変化でも溶融することがない。

金属層３の電流容量が全体の直列電気抵抗に占める値は、セラミック製の素子本体１が占める値に比べてより小さい。従って金属層３の断面は、約1mm^２とする内部電極の総断面よりも大きくするのが好適である。この場合に総断面とは、スパッタ又は焼き付き層11を平行に切断した場合の第１又は第２内部電極7、8の断面積のことを指す。金属層３は、細長で平坦な帯状形状を有すると共に、厚さに対する幅比が６よりも大きく、特に有利には30よりも大きい。この場合に厚さとは、メタライズ層24及びスパッタ層11間における金属層３の広がりのことである。またこの場合に幅とは、長手方向への接続要素２の延びに規定されるものである。換言すれば、幅は、図面における金属層３の厚さに直交する方向への接続要素２の延びに規定される。

素子本体１の端子又は外側端子においては、上述した異なる材料、即ち機械的強度及び電流容量の１つに関連付けられた材料より成る多層の結合部により、機械的強度及び電流容量が組み合わされている。従って、各材料の利点が、機械的コンプライアンス及び電気的に好適な特性と共に組み合わされている。

DCB基板又は他のパワーモジュール基板上における素子本体１全体への接触は、接続要素２における第２部分22の下側で行われる。このための接続面４は、例えば薄膜技術で設けられたニッケル-金-パラジウム層とすることができ、該層上には、第２部分22の下側において銀層を設けることができる。ニッケル-金-パラジウムより成る接続面４は、はんだ付けすることも可能である。

上述した接触は、SMD取り付け工程において例えばはんだで行うことができる。

容量素子の想定可能な特徴に関して、最適な動作電圧はVop＝380Vであり、最大動作電圧はVDCmax＝560Vである。また、最適な動作電圧での容量は0.5〜1μFに達し得る。更に、200kHz及び40℃の昇温での電流は3A_rmsである。これに加えて、105℃/Vop及び125℃/Vopでの寿命は、それぞれ、100000時間又は200000時間に達し得る。

本発明においては、上述した特徴以外の組み合わせを有する実施形態も想定可能であることに留意されたい。

１ 素子本体
11 焼き付き又は焼結層
２ 接続要素
21 第１部分
22 第２部分
23 プラスチック体
24 メタライズ層
４ 接続面
５ 基板
６ 内部電極
７ 内部電極
８ 内部電極
９ 誘電体層

Claims (11)

1. 素子本体（１）と、金属層（３）を介して前記素子本体（１）に結合され、かつプラスチック体（23）を含む少なくとも１個の接続要素（２）とを備え、
   前記素子本体（１）は、セラミック製の誘電体層（９）及び内部電極（7，8）を有するコンデンサ本体と、該内部電極（7，8）に電気的に接続されるスパッタ層又は焼き付き層（１１）とを含み、該スパッタ層又は焼き付け層（１１）は、接続面として機能し、
   前記接続要素（２）は、前記素子本体（１）に隣接して配置された第１部分（21）と、該第１部分（21）に対して角度付きで延在する第２部分（22）とを有し、
   前記接続要素（２）は、前記第１部分（21）上に配置された前記金属層（３）を介して前記素子本体（１）に結合され、
   前記金属層（３）は、細長の帯状形状を有し、該金属層（３）の形状及び大きさは、前記素子本体（１）の接触する側面に実質的に対応し、該金属層（３）は、前記スパッタ層又は焼き付き層（１１）と電気的に接続し、
   前記プラスチック体（23）は、該プラスチック体（23）の外側の少なくとも一部にメタライズ層（24）を有し、
   前記第２部分（22）に、前記メタライズ層（24）とは別の要素である接続面（４）が配置され、
   前記メタライズ層（24）は、前記プラスチック体（23）に沿って、前記接続面（４）から前記金属層（３）まで延在し、これにより、前記メタライズ層（24）は、互いに分離された前記金属層（３）と前記接続面（４）との間の導電性接続を形成し、
   前記金属層（３）は、焼結した銀を含んでいる素子。
2. 請求項１に記載の素子であって、前記第１及び第２部分（21，22）間における角度は、ほぼ90°である素子。
3. 請求項１に記載の素子であって、前記接続面（４）は、ニッケル-金-パラジウムコーティングを含んでいる素子。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の素子であって、前記プラスチック体（23）は、ポリエーテルエーテルケトン又はポリイミド群の材料を含んでいる素子。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の素子であって、前記金属層（３）は、帯状形状を有すると共に、厚さに対する幅比が６よりも大きく、特に30よりも大きい素子。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の素子であって、前記金属層（３）は、素子本体（１）のスパッタ層又は焼き付き層（11）及び前記メタライズ層（24）間に配置されている素子。
7. 請求項６に記載の素子であって、前記金属層（３）は、前記接続要素（２）上に焼結した銀層であり、該銀層は、はんだ付けで前記素子本体（１）上に結合している素子。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の素子であって、前記誘電体層（９）は、反強誘電性ペロブスカイトを含んでいる素子。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の素子であって、前記素子本体（１）は、直方体状であると共に、前記素子本体（１）の互いに対向する側において２個の角状の接続要素（２）を有している素子。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の素子であって、前記メタライズ層（24）は、導線状に構造化されている素子。
11. 請求項１〜９の何れか一項に記載の素子であって、前記メタライズ層（24）は、前記金属層（３）に比べて層厚が小さい導電性の薄層である素子。

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