CN101185147A - 多层陶瓷电子部件 - Google Patents
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Abstract
一种高度可靠的多层陶瓷电子部件，其中在组装处理等中可消除因热冲击引起的多层陶瓷本体的缺陷性裂缝。所述多层陶瓷电子部件中，把分别位于层叠方向的最顶部和最底部处的内电极(12)之间的距离(d)的上10％和下10％的区域(f)中内电极(12)连续性的平均值，设定成比位于层叠方向的其它内电极(12)连续性的平均值小5－20％。以(X－Y)/X定义所述连续性，其中(X)表示内电极(12)横截面在一个方向上的长度，(Y)表示由内电极横截面中的孔形成的间隙(g)之和。
Description
技术领域
本发明涉及多层陶瓷电子设备，具体地说，涉及一种多层陶瓷电子装置，其中在彼此层叠的陶瓷层之间设置内部电极。
背景技术
迄今为止，作为一种代表性的多层陶瓷电子装置的多层陶瓷电容器，具有图3所示的剖面结构。这种多层陶瓷电容器20具有陶瓷叠层20a，而陶瓷叠层20a包括其间夹置的彼此相对设置的陶瓷层21和内电极22。在陶瓷叠层20a的两个端部上，设有外电极23，并且内电极22交替地延伸到相应的外电极23，并与之电连接。
由于小尺寸且能够获得大电容，以致多层陶瓷电容器20已经被广泛地用于多种应用中。此外，为了进一步减小尺寸和增大电容，人们一直在致力于研究和开发，以便减小设置在内电极22之间的陶瓷层21的厚度，并增加所层叠的内电极22的数量(即形成更薄的层和大量层的叠层)。
然而，随着厚度的减小和所层叠的层数的增多，由于烧结时所产生的陶瓷叠层20a的收缩应变，导致在内电极22与陶瓷层21之间的界面处发生剥离，并且在陶瓷层21中发生破裂，结果，就引发了不能保证所需特性的问题。上述问题不仅在具有图3中所示结构的多层陶瓷电容器20中会发生，而且在比如多层式变阻器、电热调节器和压电装置，以及具有陶瓷叠层(包括其间夹置有彼此相对设置的陶瓷层和内电极)的多层基板中也会发生。
为了解决多层陶瓷电子装置的上述问题，考虑到朝向沿着层叠方向陶瓷层21的中部(陶瓷叠层20a的中部)时，裂缝的数量会增加这样一种现象，专利文献1披露了的技术中，通过调整用于内电极22的材料，可以抑制在陶瓷层21的中部沿层叠方向产生收缩应力，从而表示内电极22连续性的值，在朝向层叠方向陶瓷层21的中部时减小。
如上所述，在制造多层陶瓷电容器时，可以通过专利文献1中披露的发明来抑制因烧结过程中所产生的收缩应变在叠层中产生裂缝。不过，在作为产品的成品多层陶瓷电容器中，由于用于内电极和陶瓷层的材料彼此不同，它们的热膨胀系数彼此不同。因而，比如在通过回流焊接将多层陶瓷电容器安装到电路基板上的步骤中，当向多层陶瓷电容器加给热应力(热冲击)时，陶瓷叠层中会产生与热膨胀系数的差值相应的应力，从而产生裂缝。
在图4中表示出沿图3中的线S-S所取的剖面图，在位于最上部附近的内电极22的短边方向的两个端部24，以及在位于最下部附近的内电极22的短边方向的两个端部24中，会产生大量的裂缝。
专利文献1：日本未审专利申请公开No.11-31633
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种高度可靠的多层陶瓷电子装置，可以解决在陶瓷叠层中由于在安装步骤中向其施加热冲击所产生的裂缝缺陷等。
为此，按照本发明的多层陶瓷电子装置包括：彼此层叠的陶瓷层；和设置于之间的内电极。在这种多层陶瓷电子装置中，当以(X-Y)/X定义每个内电极连续性时—其中X表示内电极横截面在一个方向上的长度，Y表示由内电极横截面中的孔形成的间隙之和，把位于两个区域中内电极连续性的平均值设定为比其他内电极连续性的平均值小5％到20％(包括)。所述两个区域是指，从沿层叠方向设置的最顶部内电极和最底部内电极分别到内部的最顶部内电极与最底部内电极之间距离10％的区域。
在本发明的多层陶瓷电子装置中，在所述叠层中，最顶部内电极，位于最顶部内电极附近的内电极，最底部内电极，以及位于最底部内电极附近的内电极的连续性平均值被设定为小于位于该叠层中央部分的内电极连续性的平均值。也就是说，在所述叠层中，最顶部内电极及其附近的内电极，以及最底部内电极及其附近的内电极具有更小的电极材料密度。因而，当所述叠层(包括陶瓷层和内电极)通过施加热冲击而发生热膨胀时，由具有更低电极材料密度的内电极构成的部分易于发生变形，结果，施加给陶瓷层的应力减小。因而，在所述叠层中，最顶部内电极及其附近的内电极，最底部内电极及其附近的内电极中所产生的应力，特别是上述内电极在短边方向的两个端部中所产生的应力，都得到减小，结果，即使在向其施加热冲击时，也能防止在上述端部中产生裂缝。
此外，当位于上述两个区域中的内电极连续性的平均值与其他内电极连续性的平均值的差别小于5％时，所述两个区域是指从在层叠方向设置的最顶部内电极和最底部内电极分别到内两者之间距离的10％的区域，通过向其施加热冲击在叠层中产生裂缝，并且，当上述差别大于20％时，就不能获得所需要的电学性质。
在本发明的多层陶瓷电子装置中，就成本而言，内电极优选使用镍或镍合金。
此外，陶瓷层的厚度优选为10μm或更小，并且，所层叠的陶瓷层的数量优选为100层或更多。当施加热冲击时，随着陶瓷层厚度的减小，因内电极与陶瓷层之间热膨胀系数的差别所产生的应力的影响增大，结果，在叠层中易于产生裂缝。当陶瓷层的厚度为10μm或更小时，这种趋势更加明显。然而，即使在上述情况下，当有如上述那样控制内电极的连续性时，也可以防止在叠层中产生裂缝。此外，在彼此层叠100或更多陶瓷层以形成叠层的情况下，当向其施加热冲击时，因内电极与陶瓷层之间热膨胀系数的差别所产生的应力的影响增大，结果，易于在叠层中产生裂缝。当所层叠的陶瓷层的数量为100层或更多时，这种趋势更加明显。不过，即使在上述情况下，当有如上述那样控制内电极的连续性时，也能防止在叠层中产生裂缝。
按照本发明，在所述叠层中，由于最顶部内电极及其附近的内电极，以及最底部内电极及其附近的内电极具有较低的电极材料密度，因此，当因施加热冲击而使所述叠层发生热膨胀时，在最顶部内电极及其附近的内电极，以及最底部内电极及其附近的内电极中产生的应力，特别是在上述内电极在短边方向上的两个端部中产生的应力，就得到减小，因而可防止在上述部分中产生裂缝。因此，可以获得具有耐热冲击性，并且在安装之后能够可靠地表现出所需特性的高度可靠的多层陶瓷电子装置。
附图说明
图1是应用本发明的多层陶瓷电容器的纵剖面图；
图2所包括的各附图说明定义内电极的连续性，其中，(a)为平面图，(b)为表示沿直线T-T的间隙的剖面图；
图3为传统多层陶瓷电容器的纵剖图；
图4为沿图3中所示的直线S-S所取的剖面图。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明一些示例的多层陶瓷电子装置。
(第一示例)
按照本发明第一示例的多层陶瓷电子装置，它是多层陶瓷电容器，图1中示出其纵剖面结构。所述多层陶瓷电容器10包括：由彼此面对设置的陶瓷层11和内电极12组成的陶瓷叠层10a；由比如Ni或Ni合金形成内电极12。
在陶瓷叠层10a的两个端部上形成外电极13，而且内电极12沿相反的方向交替延伸，并与相应的外电极13电连接。
陶瓷层11都是由陶瓷坯片(green sheet)形成的，所述陶瓷坯片是通过使用刮墨刀方法、拉制方法等处理介电陶瓷材料而制备的，并且，各陶瓷层11与基板表面上形成的内电极12彼此层叠在一起，随后通过加压结合和烧结，从而形成叠层10a。
内电极12具有图2(a)所示的矩形形状，并且使用导电糊通过印制在所述陶瓷坯片上而被形成。内电极12并不是由连续且均匀地分布在陶瓷层11上的金属颗粒形成的，在进行显微观察时，内电极12具有大量的分布式的孔。因而，有如下面那样定义表示内电极12连续性的值。
这就是说，有如图2(a)和2(b)中所示那样，将内电极12的连续性定义为(X-Y)/X，其中X表示沿内电极12的中心作出的T-T直线在长边方向上的长度，Y为内电极12的横截面中的孔所形成的间隙g之和。可以通过改变形成内电极12的导电糊中金属(如Ni或Ni合金)的固体成分比率、内电极12的厚度，以及金属颗粒直径，控制所定义的连续性的值。
在本第一示例中，根据形成内电极12的导电糊中的金属含量来控制所述连续性。因而，在本第一示例中，把从层叠方向最顶部内电极12和最底部内电极12分别向内，为二者之间距离d的10％的区域f中内电极12的连续性的平均值，设定成为小于其他内电极12(层叠方向中部)连续性的平均值的5％到20％(包括)。如下面所述，这一数值是根据热冲击实验的结果得出的。
作为热冲击实验中所用多层陶瓷电容器10的样品1到7的共同规格，如下设定陶瓷叠层10a的尺寸、陶瓷层11的厚度、被层叠的内电极12的数量、静电电容、在层叠方向上陶瓷叠层10a中心部分中内电极12的金属含量(固体成分比率)，以及其平均连续性值：
陶瓷叠层的尺寸：1.6mm×0.8mm×0.8mm
陶瓷层的厚度：3.0μm
层叠的陶瓷层数量：180
内电极厚度：0.68μm
内电极的金属颗粒直径：0.2μm
静电电容：1μF(目标值)
在层叠方向上中央部分中内电极的金属含量：48％
在层叠方向上中央部分中内电极连续性的平均值：70％
此外，制备具有上述共同规格的样品1至7，它们具有的平均值为70.0％(样品1)、67.9％(样品2)、66.5％(样品3)、63.0％(样品4)、60.0％(样品5)、56.0％(样品6)和52.5％(样品7)，所述平均值都是位于上面所说的两个10％距离d的区域f中内电极12连续性的平均值，并且通过实验形成每个样品1到7的50个试样。对于这些样品1到7当中的每一个，执行热冲击实验，之后，在325℃条件下，将试样浸入焊料浴(solder bath)中2秒钟，使用放大倍率为50倍的显微镜来检查裂缝的产生。下面的表1中示出结果。
[表1]
表1
| 样品编号 | 区域f中内电极的金属含量(％) | 区域f中内电极连续性的平均值(％) | 中央区域与区域f之间内电极连续性的差别 | 平均静电电容(μF) | 静电电容CV值(％) | 热冲击实验中产生的裂缝数量 |
| *1 | 48.0 | 70.0 | 0％ | 1.04 | 2.9 | 5/50 |
| *2 | 46.5 | 67.9 | 3％ | 1.03 | 3.0 | 2/50 |
| 3 | 45.5 | 66.5 | 5％ | 1.03 | 2.9 | 0/50 |
| 4 | 43.0 | 63.0 | 10％ | 1.02 | 3.1 | 0/50 |
| 5 | 41.0 | 60.0 | 14％ | 1.01 | 3.1 | 0/50 |
| 6 | 38.5 | 56.0 | 20％ | 1.00 | 3.2 | 0/50 |
| *7 | 36.0 | 52.5 | 25％ | 0.99 | 3.5 | 0/50 |
在上面的表1中，带*的编号为1，2和7的样品为该第一示例的比较例。另外，在上面的表1中，样品1到7的静电电容均表示从每个样品的50个试样得到的平均值。
正如从上面的表1可以看出的，在样品3中，位于上述两个10％距离d的区域f中的内电极12的连续性的平均值为66.5％，且与位于在层叠方向的中央区域中的内电极12的连续性的差别为5％，该样品在热冲击实验中所产生的裂缝的数量为0。
另外，在样品4中，内电极12的连续性的平均值为63.0％，并且连续性的差别为10％；在样品5中，内电极1 2的连续性的平均值为60.0％，并且连续性的差别为14％；在样品6中，内电极12的连续性的平均值为56.0％，并且连续性的差别为20％，这些样品在热冲击实验中所产生的裂缝的数量也都是0。
另一方面，在样品1中，内电极12的连续性的平均值为70％，并且连续性的差别为0％，在50个试样当中的5个里面产生裂缝。此外，在样品2中，内电极12的连续性的平均值为67.9％，并且连续性的差别为3％，在50个试样当中的2个里面产生裂缝。另外，在样品7中，内电极12的连续性的平均值为52.5％，并且连续性的差别为25％，尽管没有产生裂缝，但不能获得所需要的静电电容。
从通过热冲击实验得到的结果发现，在具有图1所示结构的多层陶瓷电容器10中，在位于两个10％距离d的区域f的内电极12连续性的平均值比其他内电极12的连续性的平均值小5％到20％(包括)的多层陶瓷电容器10中，即便在安装步骤等中向叠层施加热冲击，也能防止在其中产生裂缝，上述两个10％距离d的区域f是指从层叠方向的最顶部内电极和最底部内电极分别向内的在它们之间距离d的10％的区域。
(第二示例)
按照第二示例，在具有图1中所示结构的多层陶瓷电容器10中，通过改变内电极12的厚度，藉以控制内电极12的连续性。也就是说，在第二示例中，位于两个10％距离d的区域f中的内电极12的厚度发生改变，从而，如同第一示例那样，将内电极12连续性的平均值设定为比位于在层叠方向中央区域中内电极12连续性的平均值小5％到20％(包括)，所述两个10％距离d的区域f是指从层叠方向的最顶部内电极和最底部内电极分别向内的其间距离d的10％的区域。
正如第二示例那样，通过实验形成与第一示例具有相同的共同规格和内电极12的连续性的样品1到7，并且执行与第一示例中相同的热冲击实验。表2中示出结果。
陶瓷叠层的尺寸：1.6mm×0.8mm×0.8mm
陶瓷层的厚度：3.0μm
层叠陶瓷层的数量：180
内电极的金属颗粒直径：0.2μm
静电电容：1μF(目标值)
在层叠方向上中央部分中内电极的厚度：0.68μm
在层叠方向上中央部分中内电极连续性的平均值：70％
[表2]
表2
| 样品编号 | 区域f中内电极的厚度(μm) | 区域f中内电极连续性的平均值(％) | 中央区域与区域f之间内电极连续性的差别 | 平均静电电容(μF) | 静电电容CV值(％) | 热冲击实验中产生的裂缝数量 |
| *1 | 0.68 | 70.0 | 0％ | 1.04 | 2.9 | 5/50 |
| *2 | 0.67 | 68.0 | 3％ | 1.03 | 3.0 | 3/50 |
| 3 | 0.66 | 66.0 | 6％ | 1.03 | 3.0 | 0/50 |
| 4 | 0.64 | 62.5 | 11％ | 1.02 | 3.1 | 0/50 |
| 5 | 0.62 | 59.5 | 15％ | 1.01 | 3.2 | 0/50 |
| 6 | 0.60 | 56.5 | 19％ | 1.00 | 3.4 | 0/50 |
| *7 | 0.56 | 50.0 | 29％ | 0.98 | 3.6 | 0/50 |
从上述表2中所示的热冲击实验结果显然可以看出，在第二示例的多层陶瓷电容器10中，可以获得与第一示例相似的结果。
(第三示例)
按照第三示例，在具有图1中所示结构的多层陶瓷电容器10中，通过改变形成内电极12的金属(Ni或Ni合金)的颗粒直径，藉以控制内电极12的连续性。也就是说，在第三示例中，改变位于两个10％距离d的区域f中内电极12的金属颗粒直径，从而，如同第一示例那样，把内电极12连续性的平均值设定为比位于在层叠方向上中部的内电极12连续性的平均值小5％到20％(包括)，所述两个10％距离d的区域f是指从层叠方向的最顶部内电极和最底部内电极分别向内的在它们之间距离d的10％的区域。
此外，在第三示例中，通过实验形成与第一示例具有相同的共同规格和内电极12的连续性的样品1到7，并且执行与第一示例中相同的热冲击实验。表3中示出结果。
陶瓷叠层的尺寸：1.6mm×0.8mm×0.8mm
陶瓷层的厚度：3.0μm
层叠陶瓷层的数量：180
内电极的厚度：0.68μm
静电电容：1μF(目标值)
在层叠方向上中央部分中内电极的金属颗粒直径：0.2μm
在层叠方向上中央部分中内电极的连续性的平均值：70％
[表3]
表3
| 样品编号 | 区域f中内电极的金属颗粒直径(μm) | 区域f中内电极连续性的平均值(％) | 中央区域与区域f之间内电极连续性的差别 | 平均静电电容(μF) | 静电电容CV值(％) | 热冲击实验中产生的裂缝数量 |
| *1 | 0.20 | 70.0 | 0％ | 1.04 | 2.9 | 5/50 |
| *2 | 0.25 | 68.5 | 2％ | 1.04 | 2.9 | 3/50 |
| 3 | 0.30 | 65.0 | 7％ | 1.03 | 3.2 | 0/50 |
| 4 | 0.40 | 61.0 | 13％ | 1.01 | 3.2 | 0/50 |
| 5 | 0.50 | 59.0 | 16％ | 1.01 | 3.1 | 0/50 |
| 6 | 0.60 | 56.8 | 19％ | 1.00 | 3.5 | 0/50 |
| *7 | 0.80 | 48.0 | 31％ | 0.97 | 3.9 | 0/50 |
从上述表3中所示的热冲击实验结果显然可以看出，在第三示例的多层陶瓷电容器10中，可以获得与第一示例中相似的结果。
(其他示例)
本发明的多层陶瓷电子装置不限于上述示例，在不偏离本发明精髓和范围的条件下，可作出多种改型。
比如，尽管上面各示例中描述了多层陶瓷电容器，不过，本发明比如可以应用于多层变阻器、电热调节器和压电元件，以及多层基板。此外，多层陶瓷电子装置的尺寸、目标静电电容、陶瓷层的材料和组分、用于内电极的材料等，都可以发生多种改变和修改。
工业应用
如上所述，本发明有效地应用于多层陶瓷电子装置，其中，内电极被设置在彼此层叠的陶瓷层之间，并且，本发明在可靠性的改进方面也很优异。
Claims (3)
1.一种多层陶瓷电子装置，包括：
彼此层叠的陶瓷层；和
夹置于其间的内电极，
其中，当以(X-Y)/X定义每个内电极的连续性时，其中X表示内电极横截面在一个方向上的长度，Y表示由内电极横截面中的孔形成的间隙之和，将位于两个区域中的内电极连续性的平均值设定成比其他内电极连续性的平均值小5％到20％(包括)，所述两个区域是从沿层叠方向设置的最顶部内电极和最底部内电极分别向内的在两者之间距离的10％的区域。
2.根据权利要求1所述的多层陶瓷电子装置，其中，所述内电极包括镍或镍合金。
3.根据权利要求1或2所述的多层陶瓷电子装置，其中，每个陶瓷层的厚度为10μm或更小，并且，所层叠的陶瓷层的数量为100或更多。
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