Roll to Rollプロセスを用いたBaTiO3

Roll to Rollプロセスを用いたBaTiO ₃ ナノ粒子分散液塗布による 薄膜コンデンサの形成と樹脂封孔効果

藤吉 国孝^*1 牧野 晃久^*1 有村 雅司^*1 山下 洋子^*1

Fabrication and Resin Coating Effect of a Thin Film Capacitor Deposited by Roll to Roll Process Using Nano-Sized BaTiO 3 Particles Dispersed Suspension

Kunitaka Fujiyoshi, Teruhisa Makino, Masashi Arimura and Yoko Yamashita

我々はこれまで，チタン酸バリウムのナノ粒子分散液を調製し，この液を塗布および乾燥させることでチタン酸 バリウムナノ粒子堆積薄膜を作製してきた。今回は，プリント配線板内蔵用高容量薄膜コンデンサの開発を目的に，

現在工業的に用いられている roll to roll プロセスで，銅箔上にチタン酸バリウムナノ粒子堆積薄膜を連続形成 した。得られた薄膜はクラックなどが無く概ね平滑であり，1MHz での容量密度は 39nF/cm²，誘電損失は 7.2%であ った。さらに，得られた薄膜表面からエポキシ樹脂を塗布して封孔することで，誘電損失，耐電圧，抵抗率などの 諸特性を向上させることができ，1MHz での容量密度は 36nF/cm²，誘電損失は 2.3%であった。

1 はじめに

我々はこれまで，高濃度ゾルゲル法と呼ばれるゾル ゲル法を改良した方法でチタン酸バリウム(BaTiO3)の ナノ粒子を合成し，バインダー樹脂（高分子分散剤）

を用いることなく有機溶媒中に良分散させることを検 討してきた¹⁾。このBaTiO3ナノ粒子バインダレス単分 散液をスピンコートすると，低温で比誘電率の比較的 高いBaTiO3ナノ粒子堆積薄膜が形成可能であるため，

高容量密度の薄膜コンデンサへの応用が期待される。

しかし，これまで我々が用いてきたスピンコート法 では，塗液のロスが非常に多く，また1回で塗布可能 な面積も小さい。そこで本研究では，量産化に適した 大面積のBaTiO3ナノ粒子堆積薄膜を形成する方法につ いて検討した。具体的には，基材として銅箔ロールを 用い，我々がこれまで検討してきたBaTiO₃ナノ粒子バ インダレス単分散液を連続的に塗工し，誘電体薄膜付 き銅箔を作製するプロセスについて検討した。さらに，

表面から樹脂を塗布し，空隙を封孔することで，誘電 損失などの特性の改善を検討した。

2 実験

既報¹⁾に従い，高濃度ゾルゲル法でBaTiO₃ナノ粒子 を合成し，分散媒である2-メトキシエタノール中に投 入後，分散処理してBaTiO₃ナノ粒子バインダレス単分 散液とした。roll to rollプロセスを用い，乾燥膜厚 が700nm程度になるように，古河電気工業製の電解銅

図1 roll to rollプロセスで銅箔上に連続形成した BaTiO3ナノ粒子堆積薄膜の外観写真

箔F2-WS（厚み18μm，幅30cm，ロール状）の光沢面上 にライン速度5m/minでBaTiO3ナノ粒子バインダレス単 分散液を塗布し，150℃以下の温度で乾燥させること でBaTiO3ナノ粒子堆積薄膜を作製し，内径3インチの 紙管にロール状に巻き取った（図1）。この薄膜はナノ 粒子が堆積したものであり，内部に粒子間の空隙を有 することから，BaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜表面にエポキ シ樹脂の極薄層が形成されるように，作製したBaTiO₃ ナノ粒子堆積薄膜上からエポキシ樹脂溶液を塗布し，

封孔を行った。塗工装置としては，BaTiO₃ナノ粒子堆 積薄膜を作製したものと同一のroll to rollプロセス を用い，ロール状に巻き取っておいたBaTiO₃ナノ粒子 堆積薄膜付き銅箔をライン速度5m/minで流しながら，

BaTiO3ナノ粒子堆積薄膜表面にエポキシ樹脂溶液を塗 工し，150℃以下の温度で乾燥させることで，樹脂封 孔を行った。

作製したサンプル表面にメタルマスクを密着させて 真空蒸着を行うことにより，直径1mmのアルミ上部電

*1 化学繊維研究所

極を多数作製し，銅箔下部電極が密着するように銅板 上に置いた。図2のように，銅板とアルミ上部電極に テスターの測定端子を接触させ，アルミ上部電極10点 について抵抗率を測定し，1kΩ未満をリークと定義し リーク率を算出した。さらに，アジレント・テクノロ ジー製のインピーダンスアナライザ4192Aならびにア ジレント・テクノロジー製のpAメーター4140Bの測定 端子を図2のように接続して，誘電特性ならびにリー ク電流を評価した。

図2 BaTiO3ナノ粒子堆積薄膜の電気的特性測定方法 の断面概念図

3 結果と考察

作製したBaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜の電気的特性を評 価したところ，1MHzでの容量密度は39nF/cm²であった が，誘電損失は7.2%，リーク率は70%といずれも高い 値を示した。ここで，空隙を有する膜では，大気中の 水分を吸着することで，特に低周波数域の誘電損失が 増大することが報告されている²⁾。また，リーク率が 高い原因はBaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜中の空隙に由来す ると考え，BaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜中の粒子間空隙の エポキシ樹脂による封孔を検討した。

すると，樹脂封孔したことで，リーク率は0%となり，

誘電損失も低下し（1MHzでの誘電損失：2.3 %）周波 数依存性が小さくなった（図3）。更に，リーク電流は 2桁以上低減し，耐電圧は増加して50V以上となり（図 4），いずれの特性も改善された。容量密度については，

樹脂封孔することで若干低下し，1MHzで36nF/cm²とな った。これは，表面に比誘電率の低いエポキシ樹脂の 極薄層が形成されたことに起因すると考えられる。一 方，誘電損失の場合と同様に，周波数依存性は小さく なり向上した。

4 まとめ

高濃度ゾルゲル法でBaTiO3ナノ結晶粒子を合成し，

バインダー樹脂を用いることなく，有機溶媒中に分散 させた。この液をroll to rollプロセスで銅箔上に連

続塗布・乾燥させ，BaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜を作製し た。得られたBaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜は表面からエポ キシ樹脂を塗布して封孔することで，誘電損失，耐電 圧，抵抗率などの諸特性を向上させることができた。

図3 (a)BaTiO3ナノ粒子堆積薄膜と(b)樹脂封孔 BaTiO3ナノ粒子堆積薄膜の誘電損失の周波数 依存性

図4 (a)BaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜と(b)樹脂封孔 BaTiO₃ナノ粒子堆積薄膜のリーク電流の電圧依 存性

5 参考文献

1)Arimura M., et al.：Key Engineering Materials, Vol.350, pp.11-14(2007)

2) 原 義 豪 ら ： エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌 ， Vol.8(No.7),pp.573-579(2005)

6 掲載論文

エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌 Vol.13(No.1), pp.52- 57(2010)

7 謝辞

本研究は，NEDO技術開発機構産業技術研究助成事業 の助成を受けて実施した成果です。

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0 10 20 30 40 50

電圧 (V)

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10

(a) 10

10

(b) 0

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周波数 (Hz)

誘電損失（%）

10

10

10

(b) (a)

BaTiO

薄膜

アルミ上部電極 (1mm φ ) 端子

端子

銅板

銅箔 (下部電極)