コンデンサガイド

テクニカルレポート_トレンド編(全2回-1)

進化するコンデンサ~積層セラミックコンデンサ~ Part1 トレンド編  ~前編~

-積層セラミックコンデンサ、高性能半導体デバイスに不可欠な存在に-

抵抗、コンデンサ、インダクタ。比較的地味な存在に思われがちな受動部品ですが、実際は最先端の電子機器に欠かせないものになっています。特に、最先端の半導体デバイスにとって、積層セラミックコンデンサは極めて重要です。このコンデンサがなければ、正常な動作も期待できません。かつて、エレクトロニクス業界では「いずれコンデンサは、半導体デバイスに取り込まれる」と囁かれていました。しかし実際は、半導体デバイスの進化とともに、積層セラミックコンデンサの重要度が増す傾向にあります。

砂糖の粒子よりも小さい積層セラミックコンデンサ。この非常に小さな部品が電子機器の中で担っている役割をご存じでしょうか。半導体デバイスに必要な電力供給のサポートや、誤動作や性能劣化の原因となるノイズの除去といった重要な役割を担っています。最先端の微細加工技術で製造するマイクロプロセッサやDSP、マイコン、FPGAなどの半導体デバイスも、積層セラミックコンデンサなくしては正常な動作を期待できません。

-小型化と大容量化の歴史-

現在、積層セラミックコンデンサの市場規模は、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどのさまざまなコンデンサの中で最も大きいです。少し古いデータですが、2008年における国内出荷数量は6278億個、国内出荷金額は3059億円に達しました(経済産業省の機械統計による)。第2位のアルミ電解コンデンサは、国内出荷数量が182億個、国内出荷金額が1743億円です。その差はかなり大きくなっています。2012年は、積層セラミックコンデンサが、7655億個に増加したのに対し、アルミ電解コンデンサは、109億個と減少しており、その差はますます拡大しています。

図1 積層セラミックコンデンサの構造

誘電体層と内部電極を幾重にも積み重ねることで、大きな静電容量を実現している。

今や、コンデンサ市場でトップの地位を占める積層セラミックコンデンサですが、製品化当初はなかなか市場に受け入れられませんでした。積層セラミックコンデンサのアイデアを考案したのは米国企業です。1961年に始まったアポロ計画を推進する過程で、小型で静電容量が大きいコンデンサが必要となり誕生しました。薄い誘電体に電極を形成し、これをいくつも重ね合わせることで小さな体積に大きな静電容量を詰め込んだコンデンサを実現したのです(図1)。

当社はこの技術をいち早く導入し、1965年に第一号品を市場に投入しました。当時の製品は、AMラジオのLC共振回路に向けた100pF品で、厚さが50μmの誘電体膜を積み重ねたものでした。誘電体材料は酸化チタン(TiO2)を採用しました。製品化当初はまったく売れませんでした。しかし、超薄型のペーパー・ラジオの登場をきっかけに、ほかのコンデンサに比べて小型だった積層セラミックコンデンサの市場が急拡大しました。

その後の積層セラミックコンデンサの歴史は、「小型化と大容量化の歴史」という言葉で言い尽くすことができるでしょう。一般にコンデンサの静電容量Cは、

で表現できます。ここでεは誘電率、Sは電極面積、dは電極間距離(誘電体の厚さ)です。つまり一定体積の中で静電容量を増やすには、εが高い材料を用いるか、誘電体を薄くするしかほかに方法がありません。
(詳細はこちらの記事をご参照ください⇒「薄くなるのに静電容量が増えるのはなぜ?」)

誘電体材料に関しては、製品化当初は酸化チタンを採用してましたが、比較的早い段階にチタン酸バリウム(BaTiO3)を導入しました。その後もこの材料に改良を加えることで比誘電率は向上し続けており、現在では3000程度に達しています。これは、酸化チタンの比誘電率である数十に比べると2けたも大きくなっています。

誘電体の厚さについては製品化当初は50μmでしたが、その後徐々に薄型化が進み、現在では0.5μmに達しています。つまり、製品化当初と比較すると誘電率は100倍に、厚さは1/100になっています。厚さが1/100になれば、積層数を100倍に増やすことができます。従って、静電容量で考えると、同じ体積のコンデンサならば100万倍に増えたことに相当します。逆に体積で考えると、同じ静電容量ならば、1/100万の小型化が可能になっていることを意味します。

後編では、用途のトレンドや、各用途でのコンデンサの役割についてお届けします。お楽しみに。

※会社名、製品名は、各社の商標もしくは登録商標です。
※当記事は日経BP社ウェブサイト「Tech On! 」2010年2月~3月に掲載された内容を再構成したものです。
※当社積層セラミックコンデンサについて詳しくは以下をご覧ください。

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