TWI612544B - 電容器及電子零件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電容器。
近年來，隨著電子機器之高密度安裝化，需要更小型且具有高靜電電容之電容器。又，為了抑制伴隨電子機器之電源動作頻率之高頻率化而產生之高頻漣波雜訊，需要等效串聯電阻(ESR：Equivalent Series Resistance)更低之電容器。因此，對小型、大靜電電容、且小ESR之電容器之要求不斷提高。作為此種低ESR、小型、且具有高靜電電容之電容器，已知有專利文獻1中所記載之片狀固體電解電容器。
專利文獻1：日本專利特開2005-57105號公報
於專利文獻1中，藉由於包含閥作用金屬之陽極之表面形成氧化皮膜，並於陰極側使用導電性高分子，而達成高靜電電容且低ESR。然而，具有此種構成之專利文獻1之電容器具有極性，因此於被施加反向電壓之電路(例如，被施加負之偏壓電壓、或以0V為基準之交流電壓之電路)中，有可能發生短路，而無法使用。即，難以獲得既兼顧小型、高靜電電容及低ESR又無極性之電容器。
本發明之目的在於提供一種既兼顧小型、高靜電電容及低ESR又無極性之電容器。
本發明人等為了解決上述問題而進行了銳意研究，結果發現：藉由於導電性多孔基材上形成介電層，於其上形成上部電極，並將導電性多孔基材及上部電極分別連接於端子電極，能夠提供一種既兼顧小型、高靜電電容及低ESR又無極性之電容器。
根據本發明之第1要旨，提供一種電容器，其特徵在於具有：第1電極，其係由導電性多孔基材形成；介電層，其位於第1電極上；及第2電極，其位於介電層上；且第1電極與位於其兩端之第1端子電極及第2端子電極電性連接，第2電極位於第1端子電極與第2端子電極之間，且與位於第2電極之上之第3端子電極電性連接。
根據本發明之第2要旨，提供一種電子零件，其特徵在於：具有上述本發明之電容器，且上述電容器之第1端子電極及第2端子電極係作為負極而連接。
根據本發明，藉由於導電性多孔基材(即第1電極)上形成介電層，並於其上形成上部電極(即第2電極)，能夠提供一種既兼顧高靜電電容及低ESR又無極性之電容器。
1a‧‧‧電容器
1b‧‧‧電容器
2‧‧‧第1電極
4‧‧‧介電層
6‧‧‧第2電極
8‧‧‧第1端子電極
10‧‧‧第2端子電極
12‧‧‧第3端子電極
14‧‧‧絕緣部
16‧‧‧絕緣部
18‧‧‧絕緣部
22‧‧‧第1電極
24‧‧‧介電層
26‧‧‧第2電極
28‧‧‧第1端子電極
30‧‧‧第2端子電極
32‧‧‧第3端子電極
34‧‧‧絕緣部
36‧‧‧絕緣部
42‧‧‧低空隙率部
44‧‧‧高空隙率部
50‧‧‧電容器
51‧‧‧蝕刻鋁箔
52‧‧‧遮罩
53‧‧‧AlOx層
54‧‧‧TiN層
55‧‧‧絕緣部
56‧‧‧第1端子電極
57‧‧‧第2端子電極
58‧‧‧第3端子電極
59‧‧‧細孔
60‧‧‧電容器
61‧‧‧鍍Ni
62‧‧‧鍍Sn
63‧‧‧負極
64‧‧‧正極
65‧‧‧基板
66‧‧‧接合劑
70‧‧‧電容器
71‧‧‧蝕刻鋁箔
72‧‧‧遮罩
73‧‧‧AlOx層
74‧‧‧TiN層
75‧‧‧絕緣部
76‧‧‧第1端子電極
77‧‧‧第2端子電極
78‧‧‧第3端子電極
圖1係本發明之一實施形態之電容器1a之概略立體圖。
圖2係圖1所示之電容器1a之沿x-x線之概略剖視圖。
圖3係本發明之另一實施形態之電容器1b之概略立體圖。
圖4係圖3所示之電容器1b之沿y-y線之概略剖視圖。
圖5(a)~(i)係用以說明實施例1之電容器之製造之概略剖視圖。
圖6(a)~(i)係用以說明實施例1之電容器之製造之概略俯視圖。
圖7係模式性地表示實施例1之電容器之多孔構造之剖視圖。
圖8係表示將實施例2之電容器安裝於基板之狀態之概略剖視圖。
圖9(a)~(i)係用以說明實施例3之電容器之製造之概略剖視圖。
以下，一面參照圖式，一面對本發明之電容器進行詳細說明。但是，本實施形態之電容器以及各構成要素之形狀及配置等不限定於圖示之例。
將本發明之一實施形態之電容器1a之概略立體圖示於圖1，將概略剖視圖示於圖2。如圖1及圖2所示，本實施形態之電容器1a具有大致長方體形狀，且概略而言，具有：第1電極2，其係由導電性多孔基材形成；介電層4，其位於第1電極2上；及第2電極6，其位於介電層4上。第1電極2於其兩端與第1端子電極8及第2端子電極10電性連接。第2電極6位於第1端子電極8與第2端子電極10之間。又，第2電極6與位於第2電極6上之第3端子電極12電性連接。第2電極6及第3端子電極12藉由絕緣部14而與第1端子電極8及第2端子電極10電性隔離。第1端子電極8與第2端子電極10藉由絕緣部14而物理性隔離，但藉由第1電極2而電性連接。第1電極2與第2電極6介隔介電層4而相互對向。藉由於1電極2及第2電極6間施加電壓，能夠於介電層4儲存電荷。
將本發明之另一實施形態之電容器1b之概略立體圖示於圖3，將概略剖視圖示於圖4。如圖3及圖4所示，本實施形態之電容器1b具有大致長方體形狀，且概略而言，具有：第1電極22，其係由導電性多孔基材形成；介電層24，其位於第1電極22上；及第2電極26，其位於介電層24上。第1電極22於其兩端與第1端子電極28及第2端子電極30
電性連接。第2電極26位於第1端子電極28與第2端子電極30之間。又，第2電極26與位於第2電極26上之第3端子電極32電性連接。介電層24、第2電極26及第3端子電極32以包圍第1電極22之周圍之方式形成為筒狀，且第1電極22貫通上述介電層24、第2電極26及第3端子電極32。第2電極26及第3端子電極32藉由絕緣部34而與第1端子電極28電性隔離，且藉由絕緣部36而與第2端子電極30電性隔離。第1電極22於兩端部(於圖4中為左右之端部)具有低空隙率部42，且於其中間具有高空隙率部44。電容器1b係所謂之貫通電容器。
構成上述第1電極之導電性多孔基材只要表面為導電性，則其材料及構成便不限定。例如，導電性多孔基材可為由導電性金屬形成之多孔質金屬基材，或者亦可為於非導電性材料、例如多孔質氧化矽材料、多孔質碳材料、多孔質陶瓷燒結體等之表面形成導電性之層而成者。藉由使用多孔基材，第1電極之表面積增大，即，能夠擴大第1電極與介電層之接觸面積，從而能夠獲得更大之靜電電容。
於較佳之態樣中，導電性多孔基材為多孔質金屬基材。
作為構成上述多孔質金屬基材之金屬，例如可列舉鋁、鉭、鎳、銅、鈦、鈮及鐵金屬、以及不鏽鋼、杜拉鋁等合金等。多孔質金屬基材較佳為鋁多孔基材。
上述導電性多孔基材可僅於一主面具有多孔，亦可於2個主面具有多孔。又，多孔部之存在位置、設置數量、大小、形狀等並不特別限定。
於較佳之態樣中，導電性多孔基材具有高空隙率部及低空隙率部。
高空隙率部之空隙率可較佳為20%以上，更佳為30%以上，進而較佳為50%以上，更佳為60%以上。藉由加大空隙率，能夠使電容器之靜電電容變得更大。又，就提高機械強度之觀點而言，高空隙率部
之空隙率可較佳為90%以下，更佳為80%以下。
於本說明書中，所謂「空隙率」係指於多孔部空隙所占之比率。該空隙率能夠以如下之方式進行測定。
利用FIB(聚焦離子束：Focused Ion Beam)微量採樣法製作多孔部之TEM(穿透式電子顯微鏡：Transmission electron microscope)觀察用之試樣。對於該試樣之剖面，以50,000倍左右之倍率進行觀察，並藉由STEM(掃描穿透式電子顯微鏡：Scanning transmission electron microscopy)-EDS(能量分散型X射線分析：Energy dispersive X-ray spectrometry)測繪分析進行測定。將測繪測定視野內之不存在基材之面積比率設定為空隙率。
高空隙率部並不特別限定，而具有較佳為30倍以上且10,000倍以下，更佳為50倍以上且5,000倍以下，例如300倍以上且600倍以下之擴面率。此處，所謂擴面率意指每單位投影面積之表面積。每單位投影面積之表面積可使用BET(Brunauer-Emmett-Teller，布厄特)比表面積測定裝置自液氮溫度下之氮之吸附量而求出。
低空隙率部意指空隙率小於高空隙率部之區域。再者，低空隙率部亦可不存在細孔。就提高機械強度之觀點而言，低空隙率部之空隙率較佳為高空隙率部之空隙率之60%以下之空隙率，更佳為高空隙率部之空隙率之50%以下之空隙率。例如，低空隙率部之空隙率較佳為20%以下，更佳為10%以下。又，低空隙率部之空隙率亦可為0%。低空隙率部有助於提高電容器之機械強度。
再者，本實施形態之電容器1b之導電性多孔基材(第1電極22)具有低空隙率部42，但其並非必需之要素。又，於設置低空隙率部之情形時，其存在位置、設置數量、大小、形狀等亦不特別限定。
於本實施形態之電容器中，於第1電極上形成有介電層。介電層之形狀並不特別限定，而可根據目的設定為各種形狀。例如，可如電
容器1a般，介電層4形成於第1電極2之1個面上。較佳可如電容器1b般，介電層24以包圍第1電極22之周圍之方式形成為筒狀。再者，所謂「筒狀」意指具有貫通孔之形狀，貫通孔之大小、形狀、及界定貫通孔之壁之厚度、形狀等並不限定。例如，電容器1b之形成為筒狀之介電層係以沿多孔質金屬基材(第1電極)之表面形狀(即多孔形狀)包圍多孔質金屬基材之方式較薄地形成之層。於該情形時，由介電層界定之貫通孔對應於存在由介電層包圍之多孔質金屬基材之部分。藉由設定為此種形狀，能夠獲得更大之靜電電容，進而，藉由ESR變小亦能夠進一步減輕雜訊。
形成上述介電層之材料只要為絕緣性，便不特別限定，較佳可列舉AlOx(例如Al2O3)、SiOx(例如SiO2)、AlTiOx、SiTiOx、HfOx、TaOx、ZrOx、HfSiOx、ZrSiOx、TiZrOx、TiZrWOx、TiOx、SrTiOx、PbTiOx、BaTiOx、BaSrTiOx、BaCaTiOx、SiAlOx等金屬氧化物、AlNx、SiNx、AlScNx等金屬氮化物、或AlOxNy、SiOxNy、HfSiOxNy、SiCxOyNz等金屬氮氧化物。作為形成介電層之材料，較佳為AlOx、SiOx、SiOXNY、HfSiOx，更佳為AlOx(具代表性者為Al2O3)。再者，上述式僅為表現材料之構成者，而並非限定組成者。即，附註於O及N之x、y及z可為大於0之任意之值，含有金屬元素之各元素之存在比率任意。
上述介電層之厚度並不特別限定，例如較佳為5nm以上且100nm以下，更佳為10nm以上且50nm以下。藉由將介電層之厚度設定為5nm以上，能夠提高絕緣性，從而能夠進一步減小漏電流。又，藉由將介電層之厚度設定為100nm以下，能夠獲得更大之靜電電容。
上述介電層較佳為藉由氣相法，例如真空蒸鍍法、化學蒸鍍(CVD：Chemical Vapor Deposition)法、濺鍍法、原子層沈積(ALD：Atomic Layer Deposition)法、脈衝雷射沈積法(PLD：Pulsed Laser
Deposition)等而形成。尤其是於基材為多孔基材之情形時，為了甚至於細孔之細微部分都能夠形成更均質且緻密之膜，較佳為CVD法或ALD法，尤佳為ALD法。如此藉由利用氣相法尤其是ALD法，能夠進一步提高介電層之絕緣性，又，能夠使電容器之靜電電容變得更大。
於本實施形態之電容器1a及1b中，於上述介電層上形成有第2電極(上部電極)。
構成上述第2電極之材料只要為導電性，便不特別限定，可列舉Ni、Cu、Al、W、Ti、Ag、Au、Pt、Zn、Sn、Pb、Fe、Cr、Mo、Ru、Pd、Ta及該等之合金例如CuNi、AuNi、AuSn、以及TiN、TiAlN、TiON、TiAlON、TaN等金屬氮化物、金屬氮氧化物、導電性高分子(例如PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)，聚(3,4-乙二氧基噻吩))、聚吡咯、聚苯胺)等，較佳為TiN或TiON，更佳為TiN。
第2電極之厚度並不特別限定，例如較佳為3nm以上，更佳為10nm以上。藉由將第2電極之厚度設定為3nm以上，能夠縮小第2電極本身之電阻。
第2電極並不特別限定，例如可藉由ALD法、化學蒸鍍(CVD：Chemical Vapor Deposition)法、鍍敷、偏壓濺鍍、溶膠-凝膠法、導電性高分子填充等方法而形成。於基材為多孔基材之情形時，為了甚至於細孔之細微部分都能夠形成更均質且緻密之膜，第2電極較佳為藉由ALD法而形成。
於一態樣中，於基材為多孔基材之情形時，亦可藉由ALD法形成導電性膜，並自其上藉由ALD法或其他方法利用導電性物質、較佳為電阻更小之物質來填充細孔。藉由設定為此種構成，能夠有效率地獲得更高之靜電電容密度及更低之ESR。
於本實施形態之電容器1a及1b中，於上述第1電極之兩端形成有第1端子電極及第2端子電極。
又，於本實施形態之電容器1a及1b中，於上述第2電極上形成有第3端子電極。
構成上述端子電極之材料並不特別限定，例如可列舉Ag、Pd、Ni、Cu、Sn、Au、Pb等金屬及該等之合金等。構成第1端子電極、第2端子電極及第3端子電極之材料既可相同，亦可不同。端子電極之形成方法並不特別限定，例如可利用電解鍍敷、無電解鍍敷、CVD法、蒸鍍、濺鍍、導電性焊膏之燒接等，較佳為電解鍍敷或無電解鍍敷。
於本實施形態之電容器1a及1b中，於第1電極上以將第2電極及第3端子電極與第1端子電極及第2端子電極隔離之方式形成有絕緣部。
構成絕緣部之材料只要為絕緣性，便不特別限定，可為絕緣性之無機材料，例如絕緣性陶瓷、玻璃等；或絕緣性之有機材料，例如樹脂。
絕緣部之形成方法並不特別限定，可利用分注法、鍍敷、層壓、CVD法、蒸鍍、濺鍍、網版印刷、噴墨等。
如上所述之本發明之電容器儘管不具有極性，但靜電電容高，且ESR低。又，藉由設定為三端子構造或貫通型構造能夠減少雜訊。
以上，針對上述實施形態之電容器1a及1b對本發明之電容器進行了說明，但本發明並不限定於此，而可進行各種改變。
例如，本發明之電容器亦可於各層之間，例如第1電極與介電層之間、或介電層與第2電極之間，存在除上述實施形態所示之層以外之層。
又，關於上述電容器，第1電極與第1端子電極及第2端子電極係單獨形成，但不限定於該態樣，例如該等亦可由導電性基材一體形成。換言之，第1電極亦可兼具第1端子電極及第2端子電極。同樣地，第2電極與第3端子電極係單獨形成，但不限定於該態樣，該等亦可一體形成。換言之，第2電極亦可兼具第3端子電極。
如上所述，本發明之電容器無極性，且能夠將包含鋁等之第1電極連接於負極側。因此，於將本發明之電容器連接於電路等電子零件時，無需確認極性，從而安裝作業變得簡便。又，亦不會產生因將極性顛倒安裝而導致之電容器之故障、電路之短路等問題。尤其是於貫通型構造之情形時，將貫通之電極以被直流電源線貫通之方式佈線，並將另一電極佈線於地線，藉此能夠有效地抑制重疊於電源線之雜訊。尤其是根據本發明之電容器，亦能夠用於產生負之直流電壓之負電源線中之雜訊抑制用途。
因此，本發明亦提供一種電子零件，例如電路基板等，其特徵在於：具有電容器，且上述電容器之第1端子電極及第2端子電極係作為負極而連接。
實施例1
．電容器之製造
準備厚度為100μm且於兩面具有細孔之蝕刻鋁箔51作為導電性基板(圖5(a)及圖6(a))。其次，藉由雷射將蝕刻鋁箔51以保留桿體之方式切斷(圖5(b)及圖6(b))。
其次，藉由對聚醯亞胺樹脂實施網版印刷而於蝕刻鋁箔51上形成遮罩52(圖5(c)及圖6(c))。
其次，藉由ALD法，於整體以厚度20nm形成作為介電層之AlOx層53(圖5(d)及圖6(d))。然後藉由ALD法，於整體形成作為第2電極之TiN層54(圖5(e)及圖6(e))。再者，於遮罩上亦形成AlOx層及TiN層，但為了簡單未於圖式中示出。
其次，將遮罩52除去(圖5(f)及圖6(f))，並藉由CVD法形成SiO2之絕緣部55(圖5(g)及圖6(g))。
最後，藉由雷射將桿體切斷而切分成各元件(圖5(h)及圖6(h))，
並施以鍍銅，藉此形成第1端子電極56、第2端子電極57及第3端子電極58(圖5(i)及圖6(i))，從而製造出實施例1之電容器50。
再者，於圖5及圖6中，為了簡單而省略多孔構造。多孔構造模式性地示於圖7。
．極性試驗
對以上述之方式獲得之試樣以如下述(A)及(B)之方式進行連接，而測定破壞電壓。具體而言，一面漸漸升壓一面施加直流電壓，將於試樣流通之電流值超過1mA時之電壓作為破壞電壓。
(A)將導通於蝕刻鋁箔(第1電極)之第1端子電極及第2端子電極連接於正極，將導通於TiN層(第2電極)之第3端子電極連接於GND(Ground，地線)。
(B)將導通於蝕刻鋁箔(第1電極)之第1端子電極及第2端子電極連接於GND，將導通於TiN層(第2電極)之第3端子電極連接正極。
於(A)及(B)之各者中，各對10個試樣進行了測定，並求出其平均值，結果均為6.4V。即，確認實施例1之電容器無極性。
實施例2
於藉由鍍銅而形成第1端子電極、第2端子電極及第3端子電極之後，除了於該等之上進行鍍鎳61然後進行鍍錫62以外，其他與實施例1相同而製作出實施例2之電容器60。
對於所獲得之電容器60，使用接合劑66將導通於蝕刻鋁箔(第1電極)之第1端子電極56及第2端子電極57連接於負極63，將導通於TiN層(第2電極)之第3端子電極58連接於正極64，藉此將該電容器60安裝於基板65上(圖8)。對實施例2之試樣施加電壓，結果確認其正常地發揮功能。
實施例3
．電容器之製造
準備厚度為70μm且於單面具有細孔之蝕刻鋁箔71作為導電性基板(圖9(a))。其次，藉由雷射將蝕刻鋁箔以保留桿體之方式切斷(圖9(b))。
其次，藉由對聚醯亞胺樹脂實施網版印刷而於蝕刻鋁箔71上形成遮罩72(圖9(c))。
其次，藉由ALD法，於整體以厚度20nm形成作為介電層之AlOx層73(圖9(d))。然後藉由ALD法，於整體形成作為第2電極之TiN層74(圖9(e))。再者，於遮罩上亦形成AlOx層及TiN層，但為了簡單未於圖式中示出。
其次，將遮罩72除去(圖9(f))，並藉由CVD法形成SiO2之絕緣部75(圖9(g))。
最後，藉由雷射將桿體切斷而切分成各元件(圖9(h))，並施以鍍銅，藉此形成第1端子電極76、第2端子電極77及第3端子電極78(圖9(i))，從而製造出實施例3之電容器70。
．極性試驗
對以上述之方式獲得之電容器70與實施例1同樣地以下述(A)及(B)之方式進行連接，而測定破壞電壓。具體而言，一面漸漸升壓一面施加直流電壓，將於試樣流通之電流值超過1mA時之電壓作為破壞電壓。
(A)將導通於蝕刻鋁箔(第1電極)之第1端子電極及第2端子電極連接於正極，將導通於TiN層(第2電極)之第3端子電極連接於GND。
(B)將導通於蝕刻鋁箔(第1電極)之第1端子電極及第2端子電極連接於GND，將導通於TiN層(第2電極)之第3端子電極連接於正極。
於(A)及(B)之各者中，各對10個試樣進行了測定，並求出其平均值，結果均為6.4V。即，確認實施例3之電容器無極性。
本發明之電容器具有高靜電電容，ESR低，且不具有極性，因此適宜用於各種電子機器。
1a‧‧‧電容器
8‧‧‧第1端子電極
10‧‧‧第2端子電極
12‧‧‧第3端子電極
14‧‧‧絕緣部
Claims (12)
- 一種電容器，其特徵在於具有：第1電極，其係由導電性多孔基材形成；介電層，其位於第1電極上；及第2電極，其位於介電層上；且第1電極與位於其兩端之第1端子電極及第2端子電極電性連接，第2電極位於第1端子電極與第2端子電極之間，且與位於第2電極之上之第3端子電極電性連接。
- 如請求項1之電容器，其係一種貫通電容器，且該電容器之特徵在於：介電層及第2電極呈筒狀而形成於第1電極之周圍，第1電極貫通介電層及第2電極，且與位於第1電極之兩端之第1端子電極及第2端子電極電性連接。
- 如請求項1之電容器，其中導電性多孔基材具有高空隙率部及低空隙率部，且於高空隙率部上形成有介電層及第2電極，於低空隙率部上形成有第1端子電極及第2端子電極。
- 如請求項2之電容器，其中導電性多孔基材具有高空隙率部及低空隙率部，且於高空隙率部上形成有介電層及第2電極，於低空隙率部上形成有第1端子電極及第2端子電極。
- 如請求項1至4中任一項之電容器，其中導電性多孔基材為鋁基材。
- 如請求項1至4中任一項之電容器，其中介電層係藉由原子層沈積法而形成。
- 如請求項5之電容器，其中介電層係藉由原子層沈積法而形成。
- 如請求項1至4中任一項之電容器，其中第2電極係藉由原子層沈積法而形成。
- 如請求項5之電容器，其中第2電極係藉由原子層沈積法而形成。
- 如請求項6之電容器，其中第2電極係藉由原子層沈積法而形成。
- 如請求項7之電容器，其中第2電極係藉由原子層沈積法而形成。
- 一種電子零件，其特徵在於：具有如請求項1至11中任一項之電容器，且上述電容器之第1端子電極及第2端子電極係作為負極而連接。
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