KR20160104693A - 콘덴서 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은, 높은 기계적 강도를 갖는 콘덴서를 제공한다. 본 발명의 콘덴서는, 다공 금속 기재와, 상기 다공 금속 기재 위에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 위에 형성된 상부 전극과, 상기 다공 금속 기재에 전기적으로 접속된 제1 단자 전극과, 상기 상부 전극과 전기적으로 접속된 제2 단자 전극을 포함하며, 다공 금속 기재는, 고공극률부 및 저공극률부를 갖고, 저공극률부는, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재한다.

Description

콘덴서{CAPACITOR}
본 발명은, 콘덴서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 고체 전해 콘덴서로서, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄 등의 밸브 금속 또는 그 합금을 양극으로 하고, 그 표면에 산화 피막을 형성하여 유전체층으로 하고, 유전체층 위에 전해질층을 형성한 것이 알려져 있다. 그러나, 전해질층으로서 이산화 망간을 사용한 경우에는, 등가 직렬 저항(ESR)이 커지고, 전해질층으로서 도전성 고분자를 사용한 경우에는, 누설 전류가 커진다는 문제가 있었다.
특허문헌 1은, ESR 및 누설 전류가 작은 고체 전해 콘덴서로서, 밸브 금속 분말을 성형해 소결함으로써 형성한 양극과, 그 표면 위에 형성된 유전체층과, 유전체층 위에 형성된 음극과, 이들을 덮는 외장체 수지를 구비한 고체 전해 콘덴서를 개시하고 있다.
일본 특허 공개 제2009-54906호 공보
특허문헌 1에 기재된 바와 같은 고체 전해 콘덴서는, 양극이, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄 등의 밸브 금속 분말의 소결체를 포함하고 있다. 이러한 소결체는, 공극률이 높은 다공질체이므로, 큰 정전 용량을 취득할 수 있지만, 기계적 강도가 낮다. 따라서, 회로 기판에 실장할 수 있는 강도를 확보하기 위해서는, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 외장체 수지로 피복할 필요가 있었다.
본 발명의 목적은, 큰 정전 용량을 취득할 수 있으며, 누설 전류가 작고, 우수한 기계적 강도를 갖는 콘덴서를 제공하는 데 있다.
본 발명자들은, 상기 문제를 해소하기 위해 예의 검토한 결과, 고공극률인 다공 금속 기재의 일부에 저공극률부를 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 갖는 콘덴서를 제공할 수 있음을 알아내었다.
본 발명의 제1 요지에 의하면,
다공 금속 기재와,
상기 다공 금속 기재 위에 형성된 유전체층과,
상기 유전체층 위에 형성된 상부 전극과,
상기 다공 금속 기재에 전기적으로 접속된 제1 단자 전극과,
상기 상부 전극과 전기적으로 접속된 제2 단자 전극을 포함하는 콘덴서이며, 다공 금속 기재는, 고공극률부 및 저공극률부를 갖고, 저공극률부는, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 것을 특징으로 하는 콘덴서가 제공된다.
본 발명의 제2 요지에 의하면,
고공극률부 및 저공극률부를 갖는 다공 금속 기재를 준비하는 공정과,
상기 다공 금속 기재 위에 유전체층을 형성하는 공정과,
상기 유전체층 위에 상부 전극을 형성하는 공정과,
상기 다공 금속 기재에 전기적으로 접속되도록 제1 단자 전극을 형성하는 공정과,
상기 상부 전극과 전기적으로 접속되도록 제2 단자 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 고공극률부 및 저공극률부를 갖는 다공 금속 기재를 사용함으로써, 기계적 강도가 개선된 콘덴서가 제공된다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 2의 (a)는, 도 1에 도시하는 단면도에 있어서의 고공극률부의 확대도이다. 도 2의 (b)는 다른 형태에 있어서의 고공극률부의 확대도이다.
도 3a의 (a) 내지 (d)는, 도 1의 콘덴서의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
도 3b의 (e) 내지 (h)는, 도 3a에 이어지는 것이며, 도 1의 콘덴서의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
도 3c의 (i) 내지 (m)은, 도 3b에 이어지는 것이며, 도 1의 콘덴서의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 형태에 있어서의 콘덴서의 제2 단자 전극 부분의 개략 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 형태에 있어서의 콘덴서의 개략 단면도이다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 도 9의 (a)의 콘덴서의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
본 발명의 콘덴서에 대해서, 이하, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 단, 본 실시 형태의 콘덴서 및, 각 구성 요소의 형상 및 배치 등은, 도시하는 예에 한정되지 않는다.
본 실시 형태의 콘덴서(1)는, 대략 직육면체 형상을 갖고 있으며, 개략적으로는, 도 1 및 도 2의 (a)에 도시되는 바와 같이, 중앙부에 고공극률부(2)를 갖고, 측면부에 저공극률부(4)를 포함하는 다공 금속 기재(6)와, 이 위에 형성된 유전체층(8)과, 유전체층(8) 위에 형성된 상부 전극(10)과, 이것들 위에 상부 전극(10)과 전기적으로 접속되도록 형성된 배선 전극(12)과, 또한 이것들의 위에 형성된 보호막(14)을 포함한다. 다공 금속 기재(6)의 측면에는, 대향하도록 제1 단자 전극(16) 및 제2 단자 전극(18)이 형성되어 있고, 제1 단자 전극(16)은 다공 금속 기재(6)에 전기적으로 접속되어 있으며, 제2 단자 전극(18)은 배선 전극(12)을 통하여 상부 전극(10)에 전기적으로 접속되어 있다.
본 명세서에 있어서, 다공 금속 기재의 「공극률」이란, 다공 금속 기재에 있어서 공극이 차지하는 비율을 말한다. 당해 공극률은, 하기와 같이 하여 측정할 수 있다.
먼저, 다공 금속 기재를, 수속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 가공으로 60㎚ 이하의 두께의 박편으로 가공한다. 이 박편 시료의 소정의 영역(5㎛×5㎛)을, 투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)을 사용하여 촬영한다. 얻어진 화상을 화상 해석함으로써, 다공 금속 기재의 금속이 존재하는 면적을 구한다. 그리고, 하기 등식으로부터 공극률을 계산할 수 있다.
공극률=(측정 면적- 기재의 금속이 존재하는 면적)/측정 면적
본 명세서에 있어서, 다공 금속 기재의 「고공극률부」란, 공극률이 25％ 이상인 영역을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 다공 금속 기재의 「저공극률부」란, 고공극률부와 비교하여 공극률이 낮은 부위, 구체적으로는, 고공극률부의 70％ 이하의 공극률인 영역을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 다공 금속 기재의 「측면」이란, 콘덴서의 실장면에 대하여, 대략 수직인 면을 의미한다. 또한, 도 1 내지 10에 있어서는, 하면이 콘덴서의 실장면이다.
상기 다공 금속 기재를 구성하는 금속으로서는, 도전성이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 알루미늄, 탄탈륨, 니켈, 구리, 티타늄, 니오븀 및 철 등의 금속, 및 스테인리스, 두랄루민 등의 합금을 들 수 있다.
바람직한 다공 금속 기재는, 특별히 한정하는 것이 아니지만, 알루미늄 에칭박, 탄탈륨분 소결체, 니켈분 소결체, 탈합금화법에 의해 합성되는 다공 금속 등을 들 수 있다.
상기 다공 금속 기재는, 에칭, 소결, 탈합금화법 등, 당해 분야에서 잘 알려진 방법에 의해 제작할 수 있다. 또한, 다공 금속 기재는, 시판하고 있는 다공 금속 기재를 사용해도 된다.
다공 금속 기재의 두께는 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어 10 내지 1,000㎛, 바람직하게는 30 내지 300㎛여도 된다. 또한, 다공 금속 기재의 두께란, 콘덴서의 실장면에 대하여 수직인 방향의 길이를 의미한다. 두께를 1,000㎛ 이하로 함으로써, 소형화의 점에서 유리해진다. 한편, 10㎛ 이상으로 함으로써, 다공 금속 기재의 강도를 보다 충분하게 확보할 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재(6)는, 그 대향하는 한 쌍의 측면부에 저공극률부(4)를 갖고, 그 사이에 고공극률부(2)를 갖는다.
다공 금속 기재의 고공극률부의 공극률은, 표면적을 크게 하고, 콘덴서의 용량을 보다 크게 하는 관점에서, 30％ 이상이 바람직하고, 35％ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 기계적 강도를 확보하는 관점에서, 80％ 이하가 바람직하고, 65％ 이하가 보다 바람직하다.
다공 금속 기재의 저공극률부의 공극률은, 기계적 강도를 높이는 관점에서, 고공극률부의 공극률의 60％ 이하의 공극률인 것이 바람직하고, 고공극률부의 공극률의 50％ 이하의 공극률인 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 저공극률부의 공극률은, 20％ 이하인 것이 바람직하고, 10％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 저공극률부는 공극률이 0％여도 된다.
저공극률부는, 다공 금속 기재의 측면부에 대향하여 위치한다. 여기서, 다공 금속 기재의 「측면부」란, 다공 금속 기재의 측면을 포함하고, 이 측면으로부터 어느 일정한 거리까지의 영역을 의미한다. 즉, 저공극률부의 일부는, 다공 금속 기재의 측면의 적어도 일부를 구성해도 된다. 예를 들어, 저공극률부의 일부는, 다공 금속 기재의 측면 중, 적어도 30％ 이상의 영역을 구성하는 것이 바람직하고, 60％ 이상의 영역을 구성하는 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 저공극률부의 일부는, 다공 금속 기재 측면의 모든 영역을 구성한다. 환언하면, 다공 금속 기재의 측면은 저공극률부를 포함한다.
저공극률부의 폭(다공 금속 기재의 측면과 공통의 측면으로부터, 그 면에 대향하는 면까지의 길이; 도 1 내지 10에서는 지면 좌우 방향의 길이)은 3㎛ 내지 1㎜, 바람직하게는 10 내지 500㎛이다. 저공극률부의 폭을 3㎛ 이상, 보다 바람직하게는 10㎛ 이상으로 함으로써, 콘덴서의 기계적 강도를 높일 수 있다. 또한, 저공극률부의 폭을 1㎜ 이하로 함으로써, 같은 체적의 다공 금속 부재에 있어서, 보다 큰 고공극률부를 확보하는 것이 가능해져, 높은 정전 용량을 얻는 것이 가능해진다.
저공극률부의 형성 방법은, 원하는 공극률을 얻을 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 금형 등에 의한 프레스에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 프레스는, 다공 금속 기재의 상하면으로부터 끼우듯이 프레스해도 되고, 한쪽 면만으로부터 프레스해도 된다.
또한, 다른 방법으로서, 미리 다공화한 다공 금속 기재에 대하여 YVO4 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저, 엑시머 레이저, 및 펨토초 레이저, 피코초 레이저 및 나노초 레이저 등의 전고체 펄스 레이저를 조사하여 구멍을 메움으로써, 저공극률부를 형성해도 된다. 보다 세밀하게 저공극률부의 형상 및 공극률을 제어할 수 있는 점에서, 펨토초 레이저, 피코초 레이저 및 나노초 레이저 등의 전고체 펄스 레이저가 바람직하다.
저공극률부는, 상기와 같이 고공극률부의 세공을 메움으로써 형성해도 되지만, 다공화되어 있지 않은 금속 기재에 세공을 형성하는 과정에 있어서 형성할 수도 있다. 예를 들어, 다공 금속박을 에칭에 의해 제작하는 경우, 저공극률부를 형성해야 할 개소에 마스킹을 행하고 나서 에칭함으로써, 마스킹 개소가 비에칭층이 되어, 저공극률부가 형성된다. 또한, 하기에 설명하는 도 6의 (a)에 도시된 형태와 같이, 박의 중심부에 저공극률부를 형성하는 경우, 박의 중심부까지 세공이 형성되기 전에 에칭 처리를 정지함으로써, 중심부가 비에칭층이 되고, 저공극률부가 형성된다.
상기 프레스, 레이저 가공, 비에칭층의 형성을 조합함으로써, 다양한 형상의 저공극률부를 형성할 수 있다.
콘덴서(1)에 있어서, 상기 다공 금속 기재(6) 상에는 유전체층(8)이 형성되어 있다.
상기 유전체층을 형성하는 재료는, 절연성이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 AlOx(예를 들어, Al2O3), SiOx(예를 들어, SiO2), AlTiOx, SiTiOx, HfOx, TaOx, ZrOx, HfSiOx, ZrSiOx, TiZrOx, TiZrWOx, TiOx, SrTiOx, PbTiOx, BaTiOx, BaSrTiOx, BaCaTiOx, SiAlOx 등의 금속 산화물; AlNx, SiNx, AlScNx 등의 금속 질화물; 또는 AlOxNy, SiOxNy, HfSiOxNy, SiCxOyNz 등의 금속 산질화물을 들 수 있고, AlOx, SiOx, SiOxNy, HfSiOx가 바람직하다. 또한, 상기의 식은, 단순히 재료의 구성을 표현하는 것이며, 조성을 한정하는 것은 아니다. 즉, O 및 N에 부여된 x, y 및 z는 임의의 값이어도 되고, 금속 원소를 포함하는 각 원소의 존재 비율은 임의이다.
유전체층의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 5 내지 100㎚가 바람직하고, 10 내지 50㎚가 보다 바람직하다. 유전체층의 두께를 5㎚ 이상으로 함으로써, 절연성을 높일 수 있고, 누설 전류를 작게 하는 것이 가능해진다. 또한, 유전체층의 두께를 100㎚ 이하로 함으로써, 보다 큰 정전 용량을 얻는 것이 가능해진다.
유전체층은, 원자층 체적(ALD: Atomic Layer Deposition)법에 의해 형성할 수 있다. ALD법을 사용함으로써, 두께가 얇고 누설 전류가 작은 고절연성의 유전체층을 형성할 수 있으므로, 콘덴서의 용량을 보다 크게 하는 것이 가능해진다.
콘덴서(1)에 있어서, 상기 유전체층(8) 위에는, 상부 전극(10)이 형성되어 있다.
상기 상부 전극을 구성하는 재료는, 도전성이면 특별히 한정되지 않지만, Ni, Cu, Al, W, Ti, Ag, Au, Pt, Zn, Sn, Pb, Fe, Cr, Mo, Ru, Pd, Ta 및 그것들의 합금층, 예를 들어 CuNi, AuNi, AuSn, 및 TiN, TiAlN, TiON, TiAlON, TaN 등의 질화 금속 등을 들 수 있고, TiN, TiON이 바람직하다. 또한, 상부 전극을 구성하는 재료는, 도전성 고분자여도 되고, 예를 들어 PEDOT/PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술폰산), 폴리아닐린, 폴리피롤 등을 들 수 있다.
상부 전극의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 3㎚ 이상이 바람직하고, 10nm 이상이 보다 바람직하다. 상부 전극의 두께를 3㎚ 이상으로 함으로써, 상부 전극 자체의 저항을 작게 할 수 있다.
상부 전극은, ALD법에 의해 형성할 수 있다. ALD법을 사용함으로써, 콘덴서의 용량을 보다 크게 할 수 있다. 다른 방법으로서, 유전체층을 피복하여, 다공 금속 기재의 세공을 실질적으로 메울 수 있는, 화학 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법, 도금, 바이어스 스퍼터, Sol-Gel, 도전성 고분자 충전 등의 방법으로, 상부 전극을 형성해도 된다. 또한, 유전체층 위에 ALD법으로 도전성 막을 형성하고, 그 위에서 다른 수법에 의해 세공을 충전하여 상부 전극을 형성해도 된다.
또한, 상부 전극을 형성 후, 상부 전극이 콘덴서 전극으로서의 충분한 도전성을 갖고 있지 않은 경우에는, 스퍼터, 증착, 도금 등의 방법으로, 상부 전극의 표면에 추가로 Al, Cu, Ni 등을 포함하는 인출 전극층을 형성해도 된다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 도 2의 (b)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(10)은, 상부 전극을 구성하는 도전성 물질이, 다공 금속 기재(6)의 세공을 매립하도록 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 있어서, 상부 전극(10)은, 하기하는 배선 전극을 겸하고 있어도 된다. 또한, 다공 금속 기재의 세공은, 도전성 물질에 의해 실질적으로 완전히 충전되어 있을 필요는 없고, 세공의 50％ 이상, 바람직하게는 70％ 이상, 보다 바람직하게는 90％ 이상이 충전되어 있으면 된다. 상부 전극의 저항을 작게 할 수 있다는 관점에서, 실질적으로 완전히 충전되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
콘덴서(1)에 있어서, 상부 전극(10) 위에는, 배선 전극(12)이 형성되어 있다.
배선 전극을 구성하는 재료는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 Cu, Ni, Sn, Al, Ag, Au 등을 들 수 있다. 배선 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 CVD법, 도금, 스퍼터 등을 사용할 수 있다.
콘덴서(1)에 있어서, 이들 유전체층(8), 상부 전극(10), 및 배선 전극(12)이 형성된 다공 금속 기재는, 보호층(14)에 의해 보호되고 있다.
바람직하게는, 보호층(14)은 단자 전극과의 접속 부분을 제외하고, 상기 다공 금속 기재 전체를 덮도록 형성된다. 보호층에 의해, 콘덴서의 내습성, 절연성, 기계적 강도를 보다 높일 수 있다.
보호층을 구성하는 재료는, 절연성이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 상기 유전체층을 형성하는 재료와 동일한 것, 바람직하게는 SiNx, SiOx, AlTiOx, AlOx, 보다 바람직하게는 SiOx, 또는 폴리에폭시, 폴리이미드 등의 수지 코팅, 유리 코팅 등을 사용할 수 있다.
보호층의 두께는, 원하는 기능, 예를 들어 내습성 또는 절연성을 발휘할 수 있는 두께라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0.5㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 20㎛인 것이 바람직하다.
보호층의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 CVD법, 도금, 스퍼터, 스프레이, 스크린 인쇄, 디스펜서, 수지 필름의 라미네이트 등, 그 재료에 따라서 적절히 선택할 수 있다.
콘덴서(1)는, 측면에 한 쌍의 대향하는 제1 단자 전극(16) 및 제2 단자 전극(18)을 갖는다.
제1 단자 전극(16)은, 다공 금속 기재(6)에 전기적으로 접속되고, 제2 단자 전극(18)은, 상부 전극(10)에 전기적으로 접속되며, 제1 단자 전극과 제2 단자 전극은, 콘덴서 내에서 전기적으로 절연되도록 설치된다.
제1 단자 전극 및 제2 단자 전극(이하, 총칭하여 「단자 전극」이라고도 함)을 구성하는 재료는, 도전성이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, Cu, Ni, Sn, Au, Ag, Pb 등의 금속, 및 그것들의 합금 등을 사용할 수 있다.
단자 전극의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 1 내지 50㎛이고, 바람직하게는 1 내지 20㎛여도 된다.
단자 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 도금에 의해 형성해도 되고, 또는, 도전성 페이스트를 도포하고 베이킹하여 형성해도 된다.
이러한 콘덴서는, 다공 금속 기재가, 기계적 강도가 높은 저공극률부를 가짐으로써, 예를 들어 유리 에폭시 기판, 세라믹 기판, 수지 기판 등의 기판에 대한 실장 시에 가해지는 응력, 특히 휨 응력에 대한 높은 내구성을 갖는다. 또한, 유전체층을 형성한 후의 제조 공정에 있어서도, 저공극률부가 높은 기계적 강도를 갖는 점에서, 제조 시에 있어서의 다공 금속 기재의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 ALD법은, 높은 절연성을 갖는 박막의 형성을 가능하게 하지만, 얻어진 유전체막은, 다공 금속 기재와의 계면 강도(또는 부착성)가 약하고, 응력에 의해 박리, 디라미네이션 및 크랙을 일으키기 쉽다. 본 발명의 콘덴서는 기계적 강도가 높으므로, 소자의 변형에 의한 유전체막의 박리, 디라미네이션 및 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
이렇게 기계적 강도가 향상됨으로써, 보다 소형의 콘덴서로 하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 본 발명의 콘덴서는, 두께에 대한 길이의 비를, 3 이상, 바람직하게는 4 이상으로 하는 것이 가능해진다.
상기한 본 실시 형태의 콘덴서(1)는, 하기의 제조 프로세스에 의해, 제조할 수 있다. 또한, 하기에 있어서, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는, 총칭하여 도 3이라고 한다.
도 3의 (a)에 도시되는 바와 같이, 먼저, 다공 금속 기재(6)를 준비한다. 상기한 바와 같이, 다공 금속 기재는, 에칭, 소결, 탈합금화법 등, 당해 분야에서 잘 알려져진 방법에 의해 제작할 수 있다. 또한, 다공 금속 기재는, 시판하고 있는 다공 금속 기재를 사용해도 된다.
이어서, 도 3의 (b)에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재(6)에 저공극률부(4)를 형성한다. 저공극률부는, 하나의 다공 금속 기재에, 원하는 콘덴서의 크기에 따른 간격으로 복수 형성된다. 즉, 이 다공 금속 기재로부터는, 복수의 소자가 형성된다. 저공극률부는, 상기한 바와 같이, 예를 들어 금형 등에 의한 프레스에 CO2 레이저, YAG 레이저, 엑시머 레이저 및 펨토초 레이저, 피코초 레이저 및 나노초 레이저 등의 전고체 펄스 레이저에 의해 형성할 수 있다.
이어서, 도 3의 (c)에 도시되는 바와 같이, 파선(20)을 따라, 다공 금속 기재를 저공극률부에 있어서(바람직하게는 대략 중앙부에서) 절단한다. 단, 이 시점에는, 다공 금속 기재를 소자 단위로 완전히는 절단하지 않고, 한쪽의 측면이 인접하는 소자와 결합한 상태를 유지한다.
다공 금속 기재의 절단 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 레이저에 의한 절단, 금형에 의한 천공 가공, 다이서, 초경날, 슬리터, 피나클 날에 의한 커트 등의 단독 및 조합 등에 의해 절단할 수 있다.
본 발명의 콘덴서의 제조에 있어서는, 상기한 바와 같이 다공 금속 기재를 절단하는 공정을 포함한다. 일반적으로, 다공 부위의 존재는, 이 절단 시에 버 및/또는 절단면의 절단 방향으로의 연신·변형 등, 늘어짐 발생의 원인이 된다. 그러나, 본 발명의 콘덴서 제조 방법에서는, 절단부가 저공극률부인 점에서, 이러한 버의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
이어서, 도 3의 (d)에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재(6)의 표면 상에(도시한 예에서는, 다공 금속 기판의 노출면 전체에), 유전체층(8)을 형성한다. 유전체층은, 상기한 바와 같이, ALD법에 의해 형성된다.
이어서, 도 3의 (e)에 도시되는 바와 같이, 유전체층(8)을 형성한 다공 금속 기재의 일부, 구체적으로는 이후에 제1 단자 전극(16)을 형성하는 개소에, 마스크(22)를 형성한다.
마스크를 구성하는 재료는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있다.
마스크의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 스크린 인쇄, 디스펜서, 딥, 잉크젯, 스프레이 등을 들 수 있다.
이어서, 도 3의 (f)에 도시되는 바와 같이, 유전체층(8) 위에 상부 전극(10)을 형성한다. 도시한 예에서는, 도 2의 (b)에 예시한 바와 같이, 소자 전체를 덮도록 상부 전극이 되는 도전성 물질층을 형성하고 있으며, 상부 전극은 배선 전극을 겸하고 있다.
상부 전극은, ALD법, CVD법, 도금, 바이어스 스퍼터, Sol-Gel, 도전성 고분자 충전 등의 방법으로 형성할 수 있다. 또한, 이들 방법은, 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 유전체층 위에 ALD법으로 도전성막을 형성하고, 그 위에서 다른 방법에 의해 세공을 충전하여 상부 전극을 형성해도 된다.
이어서, 도 3의 (g)에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재를, 마스크를 형성한 저공극률부에 있어서(바람직하게는 대략 중앙부에서) 절단하고, 각 소자 단위로 분할한다. 절단 방법은, 상기 도 3의 (c)에 있어서의 절단과 마찬가지의 방법을 사용할 수 있다.
이어서, 도 3의 (h)에 도시되는 바와 같이, 마스크를 제거한다. 마스크의 제거는, 마스크를 구성하는 재료 등에 따라서 적절한 방법으로 행할 수 있고, 예를 들어 세정 또는 열처리에 의해 제거할 수 있다.
이어서, 도 3의 (i)에 도시되는 바와 같이, 보호층(14)을, 소자 전체를 덮도록 형성한다. 상기한 바와 같이 보호층은, 예를 들어 CVD법, 도금, 스퍼터, 스프레이, 인쇄 등에 의해 형성할 수 있다.
이어서, 도 3의 (j)에 도시되는 바와 같이, 보호층의 일부, 구체적으로는 단자 전극을 형성하는 개소를 에칭하여, 다공 금속 기재(6)(도면에 있어서 좌측면) 및 상부 전극(10)(도면에 있어서 우측면)을 노출시킨다.
마지막으로, 도 3의 (k)에 도시되는 바와 같이, 제1 단자 전극(16) 및 제2 단자 전극(18)을 형성한다. 제1 단자 전극(16)은, 다공 금속 기재(6)와 전기적으로 접속되고, 상부 전극(10)과 전기적으로 이격되도록 형성된다. 제2 단자 전극(18)은, 상부 전극(10)과 전기적으로 접속되고, 다공 금속 기재(6)와 전기적으로 이격되도록 형성된다. 단자 전극은, 상기한 바와 같이, 도금에 의해 형성해도 되고, 또한 도전성 페이스트를 도포하여 베이킹하거나, 또는 경화시킴으로써 형성해도 된다.
보호층 및 단자 전극의 형성에 대해서는, 다른 방법으로서, 도 3의 (l)에 도시되는 바와 같이, 먼저 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극을 형성하고, 이어서, 도 3의 (m)에 도시되는 바와 같이, 보호막을, 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극이 노출되도록 형성해도 된다.
이상, 본 발명의 콘덴서 및 그 제조 방법을, 상기 실시 형태의 콘덴서(1)에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 다양한 개변이 가능하다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극은, 다공 금속 기재의 저공극률부가 존재하는 대향하는 한 쌍의 측면에 위치하고, 각각, 다공 금속 기재의 측면으로부터 상하면의 저공극률부 위까지 연장되도록 형성되어 있다. 구체적으로는, 도 4에 도시되는 바와 같이(도 4에 있어서는 대표적으로 제2 단자 전극(18)을 나타냄), 제1 및/또는 제2 단자 전극, 보다 바람직하게는 모든 단자 전극은, 그들 전체가 저공극률부(4) 위에 위치하도록 형성된다. 단자 전극은 다른 부위보다도 외측으로 돌출되어 있는 경우가 많고, 특히 단자 전극의 선단부에는, 콘덴서의 실장 시 및 제작 시에 가해지는 응력이 집중되기 쉽다. 따라서, 단자 전극의 바로 아래를 기계적 강도가 높은 저공극률부로 함으로써, 콘덴서 전체의 기계적 강도를 보다 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 도 5에 도시되는 바와 같이, 도 3의 (h)에서 절단된 소자를 복수개, 예를 들어 3개 겹쳐서 적층체로 하고, 그 후, 이 적층체를 도 3의 (i) 내지 (k)의 공정을 따라서, 보호층 및 단자 전극을 형성해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 콘덴서의 기계적 강도 및 용량을 보다 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 본 발명의 콘덴서는, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부(이하, 「측면 저공극률부」라고도 함)의 사이에 형성되어 있는 별도의 저공극률부(이하, 간단히 「별도의 저공극률부」라고도 함)를 갖고 있어도 된다.
상기 별도의 저공극률부는, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시되는 바와 같이, 측면 저공극률부를 연결하도록 형성되어 있어도 된다. 이 연결 부분인 별도의 저공극률부(24)는, 다공 금속 기재의 두께 방향의 어느 쪽 위치에 있어도 되고, 예를 들어 다공 금속 기재의 두께 방향의 중심 부근에 위치해도 되며(도 6의 (a)), 다공 금속 기재의 상면 또는 하면에 접하도록 위치해도 된다(도 6의 (b)).
또한, 상기 별도의 저공극률부는, 도 7에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부와는 이격되고, 다공 금속 기재의 상면부터 하면에 걸쳐서 형성되어 있어도 된다. 이 기둥형의 별도의 저공극률부(26)는, 다공 금속 기재의 어느 한쪽의 개소에 위치해도 되지만, 바람직하게는 도시한 바와 같이 중앙부에 위치한다.
또한, 상기 별도의 저공극률부는, 다공 금속 기재의 고공극률부에 완전히 덮여 있어도 되고, 환언하면, 고공극률부에 매설되도록 위치해도 된다.
상기 별도의 저공극률부는 1개만 존재해도 되고, 또는 2개 이상 존재하고 있어도 된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 도 8의 (a)에 도시되는 바와 같이, 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극은, 소자의 측면에 존재하지 않고, 상면에만 존재해도 된다. 또한, 도 8의 (b)에 도시되는 바와 같이, 상면 및 하면의 양쪽에 존재해도 된다.
본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 도 9의 (a)에 도시하는 바와 같이, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부(4)와는 별도로, 적어도 하나의 저공극률부(28)가 다공 금속 기재의 상면부의 일부에 형성되고, 상면부에 형성된 저공극률부(28) 위에 단자 전극을 형성해도 된다. 도시한 예에서는, 제2 단자 전극(18)만이 저공극률부(28) 위에 위치하지만, 제1 단자 전극(16)의 하방에만 저공극률부를 형성해도 되고, 또는 제1 단자 전극(16) 및 제2 단자 전극(18) 양쪽의 하방에 저공극률부를 형성해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 단자간의 거리를 짧게 할 수 있으므로, 등가 직렬 저항의 값을 저감하는 것이 가능해진다.
이 형태에 있어서, 바람직하게는 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극 중 적어도 하나는, 단자 전극 전체가 저공극률부 위에 존재하도록 형성된다. 단자 전극 전체를, 저공극률부 위에 형성함으로써, 응력이 집중되기 쉬운 단자 전극 주위의 기계적 강도가 높아지므로, 콘덴서 전체의 기계적 강도를 높일 수 있다.
또한, 도 9의 (a)에서는, 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극은 1쌍이지만, 도 9의 (b)에 도시되는 바와 같이, 2쌍의 제1 단자 전극 및 제2 단자 전극을 형성해도 된다. 이러한 형상으로 함으로써, 등가 직렬 저항의 값을 보다 저감할 수 있다.
도 9의 (a)에 도시하는 바와 같은 형태의 콘덴서는, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이 형성할 수 있다.
먼저, 도 10의 (a)에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재의 소정의 위치에 저공극률부(4)를 형성한다.
이어서, 도 10의 (b)에 도시되는 바와 같이, 다공 금속 기재 위에 유전체층(8)을 형성한다.
이어서, 도 10의 (c)에 도시되는 바와 같이, 제1 단자 전극이 형성되는 개소에 마스크(22)를 입히고, 이어서, 상부 전극(10)을 형성한다.
이어서, 도 10의 (d)에 도시하는 바와 같이, 파선(20)을 따라 저공극률부에 있어서 절단하고, 마스크를 제거한다.
이어서, 도 10의 (e)에 도시하는 바와 같이, 제1 단자 전극(16) 및 제2 단자 전극(18)을 형성하고, 마지막으로 보호막(14)을 형성한다.
또한, 도 1 내지 10은 단면도이고, 길이(지면 좌우 방향) 및 두께(지면 상하 방향)를 예시적으로 나타내는 것인데, 도시한 예에 한정되지 않는다. 저공극률부, 단자 전극, 배선 전극 등은, 콘덴서의 폭 방향(지면에 수직인 방향)으로 소정의 길이를 갖고 있으며, 이들은 콘덴서의 폭 전체에 걸쳐 존재해도 되고, 일부에만 존재하고 있어도 된다.
[실시예]
실시예 1
다공 금속 기재로서 두께 110㎛, 확면률(擴面率)약 400배의 시판하고 있는 알루미늄 전해 콘덴서용 알루미늄 에칭박을 준비했다(도 3의 (a)). 이 알루미늄 에칭박을, 세로 1.0㎜×가로 0.5㎜의 간격으로, 약 100㎛의 폭으로 박의 상하로부터 프레스하여, 저공극률부를 형성했다(도 3의 (b)).
상기와 같이 형성한 저공극률부 중, 콘덴서의 한쪽 측면이 되는 부분을 레이저에 의해 절단했다(도 3의 (c)). 절단 후, ALD법에 의해, 다공 금속 기재 상에, 두께 30㎚의 AlOx(x는 1.2 이상)의 막을 성막하여, 유전체층을 형성했다(도 3의 (d)).
이어서, 상기에서 절단되지 않은 저공극률부의 상부 및 하부에 마스크를 입히고(도 3의 (e)), ALD법에 의해, 상부 전극이 되는 TiN의 막을, 상기에서 형성한 유전체층 위에 형성하고, 이어서, 도금법에 의해, 세공 내부 및 다공박 표면에 Ni막을 형성하여, 배선 전극을 형성했다(도 3의 (f)).
이어서, 마스크로 피복되어 있는 저공극률부를 커트했다(도 3의 (g)). 이어서, 400 내지 600℃에서 열처리하여, 마스크를 제거했다(도 3의 (h)).
이어서, CVD법에 의해 SiO2의 보호층을, 칩 전체면이 평균 1㎛의 두께로 덮이도록 형성했다(도 3의 (i)). 이어서, 소자 양단의 보호층을, 불소계 가스로 에칭하고(도 3의 (j)), 거기에, 두께 5㎛의 Ni를 도금 형성하고, 그 위에 Sn을 3㎛ 도금 형성하여 단자 전극을 형성하여(도 3의 (k)), 도 1에 도시하는 바와 같은 칩 형상의 콘덴서를 제작하였다.
상기와 같이 제작한 콘덴서에 대해서, 공극률을 다음과 같이 하여 측정하였다.
콘덴서의 고공극률부 및 저공극률부의 대략 중앙부를 FIB에 의한 마이크로 샘플링 가공법을 사용하여, 박편 시료 두께가 약 50㎚가 되도록 박편화한 분석 시료를 준비하였다. 또한, FIB 가공 시에 형성된 시료 표면의 대미지층은, Ar 이온 밀링에 의해 제거하였다. 분석 시료의 가공에는, FIB에는 SMI 3050SE(세이코인스트루먼츠사 제조)를, Ar 이온 밀링에는 PIPS model 691(Gatan사 제조)를 사용하였다.
시료의 5㎛×5㎛의 범위를 주사형 투과 전자 현미경(STEM)으로 관찰하였다. STEM은 JEM-2200FS(JEOL 제조)를 사용했다(가속 전압=200kV). 관찰 영역의 화상 해석을 행하여, 공극률을 구하였다. 결과는, 고공극률부의 공극률이 60％이고, 저공극률부의 공극률이 10％였다.
실시예 2
다공 금속 기재로서 두께 110㎛, 확면률 약 400배의 시판하고 있는 알루미늄 전해 콘덴서용 알루미늄 에칭박을 준비하고, 이 알루미늄 에칭박에, YVO4 레이저(레이저 출력: 10W, 가공 속도: 100㎜/초)를 조사하여 구멍을 메움으로써, 저공극률부를 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 2의 콘덴서를 제작하였다.
실시예 1과 마찬가지로 화상 해석에 의해 공극률을 구한 결과, 고공극률부의 공극률이 60％이고, 저공극률부의 공극률이 20％였다.
본 발명의 콘덴서는, 기계적 강도가 높으므로, 다양한 전자 기기에 적절하게 사용된다.
1: 콘덴서
2: 고공극률부
4: 저공극률부
6: 다공 금속 기재
8: 유전체층
10: 상부 전극
12: 배선 전극
14: 보호막
16: 제1 단자 전극
18: 제2 단자 전극
20: 절단 개소
22: 마스크
24: 저공극률부
26: 저공극률부
28: 저공극률부

Claims (11)

  1. 다공 금속 기재와,
    상기 다공 금속 기재 위에 형성된 유전체층과,
    상기 유전체층 위에 형성된 상부 전극과,
    상기 다공 금속 기재에 전기적으로 접속된 제1 단자 전극과,
    상기 상부 전극과 전기적으로 접속된 제2 단자 전극을 포함하는 콘덴서이며, 다공 금속 기재는, 고공극률부 및 저공극률부를 갖고, 저공극률부는, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 단자 전극 및 제2 단자 전극이, 다공 금속 기재의 저공극률부가 존재하는 대향하는 한 쌍의 측면에 위치하고, 각각, 다공 금속 기재의 측면으로부터 상하면의 저공극률부 위까지 연장되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    또한, 별도의 저공극률부가, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부의 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  4. 제3항에 있어서,
    다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부의 사이에 형성되어 있는 별도의 저공극률부가, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부를 연결하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  5. 제3항에 있어서,
    다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부의 사이에 형성되어 있는 별도의 저공극률부가, 다공 금속 기재의 대향하는 한 쌍의 측면부에 존재하는 저공극률부와는 이격되고, 다공 금속 기재의 상면으로부터 하면에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  6. 제1항에 있어서,
    또한, 적어도 하나의 저공극률부가, 다공 금속 기재의 상면부의 일부에 형성되고, 상면부에 형성된 당해 저공극률부 위에, 제1 단자 전극 및/또는 제2 단자 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 콘덴서.
  7. 고공극률부 및 저공극률부를 갖는 다공 금속 기재를 준비하는 공정과,
    상기 다공 금속 기재 위에 유전체층을 형성하는 공정과,
    상기 유전체층 위에 상부 전극을 형성하는 공정과,
    상기 다공 금속 기재에 전기적으로 접속되도록 제1 단자 전극을 형성하는 공정과,
    상기 상부 전극과 전기적으로 접속되도록 제2 단자 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 콘덴서의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    유전체층을 원자층 퇴적법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는, 콘덴서의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상부 전극을 원자층 퇴적법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는, 콘덴서의 제조 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    다공 금속 기재의 저공극률부를 프레스에 의해 형성하는 것을 포함하는, 콘덴서의 제조 방법.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    다공 금속 기재의 저공극률부를 레이저에 의해 형성하는 것을 포함하는, 콘덴서의 제조 방법.
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