DE10003257A1

DE10003257A1 - Monolithischer Keramikkondensator

Info

Publication number: DE10003257A1
Application number: DE10003257A
Authority: DE
Inventors: Fumiyuki Kobayashi; Kazuaki Kawabata; Yasushi Ueno; Yasunobu Yoneda
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2000-08-10
Also published as: US6331932B1; KR100320135B1; KR20000057822A; JP2000223351A

Abstract

Ein monolithischer Keramikkondensator umfaßt einen gesinterten Keramikpreßkörper mit einer Kern-Schale-Struktur, einer Mehrzahl von inneren Elektroden, die in dem gesinterten Keramikpreßkörper angeordnet und durch denselben getrennt sind, um sich in der Dickenrichtung zu überlappen, und einer Mehrzahl von äußeren Elektroden, die an den äußersten Flächen des gesinterten Keramikpreßkörpers gebildet sind. In der Kern-Schale-Struktur sind die Kerne aus einer aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusammengesetzt, und die Schalen sind an den Kernen gebildet und sind aus einem Material zusammengesetzt, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die niedriger als dieselbe der dielektrischen Keramik ist. Das Flächenverhältnis der Kerne zu den Schalen liegt in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in einer beliebigen Richtung. Die Kern-Schale-Struktur kann eine weitere Miniaturisierung und eine höhere Kapazität des monolithischen Keramikkondensators zusätzlich zu überlegenen Temperaturcharakteristika erreichen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf monolithische Keramikkondensatoren, die für eine Miniaturisierung und zum Erreichen einer großen Kapazität geeignet sind. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen monolithi schen Keramikkondensator, der einen gesinterten Keramikpreß körper mit einer Kern-Schale-Struktur aufweist.

Es sind monolithische Keramikkondensatoren bekannt, die ge sinterte Preßkörper mit Kern-Schale-Strukturen unter Verwen dung von Bariumtitanat-basierten ferroelektrischen Materia lien aufweisen. Bei einem gesinterten Keramikpreßkörper mit einer Kern-Schale-Struktur ist ein Kernteilchen bzw. ein Kernpartikel, das aus einer Bariumtitanat-basierten ferro elektrischen Keramik zusammengesetzt ist, durch eine Scha lenschicht umgeben, die aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstante bzw. Dielektrizitäts konstante zusammengesetzt ist, die niedriger als dieselbe des Bariumtitanats ist. Bei der Erzeugung des gesinterten Keramikpreßkörpers mit der Kern-Schale-Struktur werden Kera mikkernmaterialien, wie z. B. TiO₃ und BaCO₃, in einer gege benen Mischung gemischt und kalziniert. Die kalzinierte Mischung wird pulverisiert. Das resultierende Pulver wird mit Materialien zum Bilden einer Schale, z. B. einem orga nischen Binder, einem Dispergens und Wasser, gemischt, um einen Keramikschlamm zu bilden. Der Keramikschlamm wird beispielsweise durch ein Abstreichmesserverfahren in ein Keramikgrünblatt bzw. in eine Keramikgrünlage geformt. Auf dem Keramikgrünblatt wird eine leitfähige Paste, die pulve risiertes Metall enthält, wie z. B. Ag, Ag-Pd, Ni oder Cu, durch Drucken angebracht, um innere Elektroden zu bilden.

Mehrere Keramikgrünblätter, die mit inneren Elektroden ver sehen sind, werden zusammenlaminiert. Das resultierende Laminat wird in der vertikalen Richtung (Dickenrichtung) gepreßt und gesintert. Äußere Elektroden werden an den zwei Enden des resultierenden gesinterten Preßkörpers gebildet, um einen monolithischen Keramikkondensator zu bilden, der aus einem gesinterten Keramikpreßkörper mit einer Kern-Scha le-Struktur zusammengesetzt ist.

Der monolithische Keramikkondensator mit einer derartigen Kern-Schale-Struktur besitzt zufriedenstellende Temperatur charakteristika.

In jüngster Zeit ist es erforderlich, daß monolithische Ke ramikkondensatoren weiter miniaturisiert werden und eine höhere Kapazität besitzen. Bei Bariumtitanat-basierten mono lithischen Keramikkondensatoren mit Kern-Schale-Strukturen sind jedoch die Dielektrizitätskonstanten nicht wie erwartet verbessert worden. Folglich stellen die weitere Miniaturi sierung und die höhere Kapazität bei den Bariumtitanat-ba sierten monolithischen Keramikkondensatoren wesentliche Pro bleme dar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen monolithischen Keramikkondensator und einen gesinterten Keramikpreßkörper zu schaffen, durch die eine weitere Minia turisierung und eine höhere Kapazität zusätzlich zu überle genen Temperaturcharakteristika erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen monolithischen Keramikkonden sator gemäß Anspruch 1 und einen gesinterten Keramikpreßkör per gemäß Anspruch 4 gelöst.

Ein monolithischer Keramikkondensator gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen gesinterten Keramikpreß körper mit einer Kern-Schale-Struktur, die Kerne, die aus einer aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusam mengesetzt sind, und Schalen aufweist, die an den Kernen ge bildet und aus einem Material zusammengesetzt sind, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die niedriger als diesel be der dielektrischen Keramik ist, mindestens zwei innere Elektroden, die in dem gesinterten Keramikpreßkörper ange ordnet sind und durch denselben getrennt werden, um sich in der Dickenrichtung zu überlappen, und mindestens zwei äußere Elektroden auf, die an den äußersten Flächen des gesinterten Keramikpreßkörpers gebildet sind, wobei das Flächenverhält nis der Kerne zu den Schalen in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in einer beliebigen Richtung liegt.

Die aus Teilchen bestehende dielektrische Keramik weist vor zugsweise eine aus Teilchen bestehende Bariumtitanat-basier te Keramik auf.

Die inneren Elektroden weisen vorzugsweise Ni auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Erfindung einen gesin terten Keramikpreßkörper zur Anwendung beim Bilden eines monolithischen Keramikkondensators auf, wobei die gesinterte Keramik eine Kern-Schale-Struktur mit Kernen, die aus einer aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusammenge setzt sind, und Schalen aufweist, die an den Kernen gebildet sind und aus einem Material mit einer Dielektrizitäts konstante zusammengesetzt sind, die niedriger als dieselbe der dielektrischen Keramik ist, wobei das Flächenverhältnis der Kerne zu den Schalen in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in ei ner beliebigen Richtung liegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbei spiels eines monolithischen Keramikkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 1B eine vergrößerte schematische Ansicht einer Kern- Schale-Struktur eines gesinterten Keramikpreßkör pers, der in dem monolithischen Keramikkondensator verwendet wird.

Fig. 1A ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbei spiels eines monolithischen Keramikkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 1B ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer Kern-Schale-Struktur eines gesin terten Keramikpreßkörpers, der in dem monolithischen Kera mikkondensator verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1A ist der monolithische Keramik kondensator 1 aus einem gesinterten Keramikpreßkörper 2 mit einer Kern-Schale-Struktur zusammengesetzt. Unter Bezugnahme auf Fig. 1B weist der gesinterte Keramikpreßkörper 2 eine Kern-Schale-Struktur auf, die Kerne 3 umfaßt, die aus einer aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusammenge setzt sind, die von Schalen 4 umgeben wird, die aus einem Material zusammengesetzt sind, das eine Dielektrizitätskon stante aufweist, die niedriger als dieselbe der aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik ist. Das Flächenverhält nis der Kerne 3 zu den Schalen 4 liegt in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramik preßkörpers in einer beliebigen Richtung, um eine hohe Di elektrizitätskonstante und überlegene Temperaturcharakteri stika zu erreichen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1A ist eine Mehrzahl von inneren Elektroden 5a bis 5f in dem gesinterten Keramikpreßkörper 2 angeordnet und durch denselben getrennt, um sich in der Dickenrichtung zu überlappen. Diese inneren Elektroden 5a bis 5f können aus einem beliebigen Metall oder einer Legie rung, z. B. Ni, Cu, Ag oder Ag-Pd, gebildet sein. Unter die sen wird vorzugsweise kostengünstiges Ni verwendet.

Die inneren Elektroden 5a, 5c und 5e erstrecken sich zu der linken Endfläche 2a des gesinterten Keramikpreßkörpers 2, während sich die inneren Elektroden 5b, 5d und 5f zu der rechten Endfläche 2b erstrecken. Die linke und die rechte Endfläche 2a und 2b sind mit äußeren Elektroden 6 und 7 be deckt. Die äußeren Elektroden 6 und 7 können durch Anbringen und dann Brennen einer leitfähigen Paste, die Ag oder Cu enthält, oder durch Plattieren, Aufbringen oder Sputtern (Zerstäuben) eines leitfähigen Materials gebildet sein. Al ternativ können die äußeren Elektroden 6 und 7 laminierte Filme sein, die durch eine Kombination dieser Verfahren ge bildet sind.

Die planare Form und die Anzahl der Schichten der inneren Elektroden 5a bis 5f und die Konfiguration der äußeren Elek troden 6 und 7 sind bei der vorliegenden Erfindung nicht be grenzt, so lange das Flächenverhältnis der Kerne zu den Schalen in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Quer schnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in einer beliebi gen Richtung liegt.

Der monolithische Keramikkondensator gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Miniaturisierung und zum Erreichen einer großen Kapazität geeignet, und derselbe besitzt überlegene Temperaturcharakteristika, wie es detailliert unter Bezug nahme auf die folgenden Beispiele beschrieben ist.

Als pulverisierte Ausgangsmaterialien werden BaTiO₃, Dy₂O₃, Co₂O₃, BaCO₃, MgO, NiO, MnCO₃ und ein Oxidglas, das im wesentlichen aus BaO-SrO-LiO-SiO₂ zusammengesetzt ist, ge mischt, kalziniert und dann pulverisiert, um ein pulveri siertes kalziniertes Material zu bilden.

Das pulverisierte kalzinierte Material wird mit einem orga nischen Träger gemischt, um einen Keramikschlamm zu bilden. Ein Keramikgrünblatt mit einer Dicke von 2,5 bis 3,0 µm wird aus dem Keramikschlamm durch Bilden von Blättern bzw. Lagen gebildet. Das resultierende Keramikgrünblatt wird gestanzt, um rechteckförmige Grünblätter zu bilden. Eine Ni-Paste wird an jedem rechteckförmigen Grünblatt durch Drucken ange bracht, um innere Elektroden 6a bis 6e zu bilden. Als nächstes werden 100 rechteckförmige Grünblätter, die mit den inneren Elektroden 6a bis 6e versehen sind, laminiert, und dann werden 25 nicht-bedruckte rechteckförmige Grünblätter auf sowohl den unteren als auch den oberen Flächen aufge bracht. Die resultierenden Keramiklaminate werden in der Dickenrichtung gepreßt und werden bei Temperaturen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, für zwei Stunden gesintert, um ge sinterte Keramikpreßkörper zu bilden.

Eine Cu-Paste wird an den zwei Endflächen des resultierenden gesinterten Keramikpreßkörpers angebracht und dieselben wer den dann gebrannt, um einen monolithischen Keramikkondensa tor zu bilden.

Der resultierende monolithische Keramikkondensator wird ei ner. Messung von (1) des Kern-Schale-Flächenverhältnisses, (2) der elektrostatischen Kapazität und (3) der thermischen Änderung der Kapazität (TCC; TCC = Thermal Change in Capaci tance) und (4) einem Hochtemperaturbelastungstest, wie folgt, ausgesetzt.

(1) Kern-Schale-Flächenverhältnis

Der gesinterte Keramikpreßkörper des monolithischen Keramik kondensators wird in der Längsrichtung und der Dickenrich tung geschnitten. Jeder Querschnitt wird durch ein Durch strahlungselektronenmikroskop (TEM) beobachtet, um das Flä chenverhältnis der Kernabschnitte und der Schalenabschnitte zu bestimmen.

(2) Thermische Änderung der Kapazität (TCC)

Die statischen Kondensatoren C₂₀ und C₈₅ des monolithischen Keramikkondensators werden bei 20°C bzw. 85°C gemessen, und das Verhältnis TCC (%) der Änderung der statischen Kapazität DC = C₈₅ - C₂₀ zu C₂₀ wird berechnet. Die Daten, die in Ta belle 1 gezeigt sind, sind ein Durchschnitt von zehn Proben.

(3) Hochtemperaturbelastungstest

25 Volt werden an den monolithischen Keramikkondensator bei einer Temperatur von 150°C für einen beschleunigten Test an gelegt. Die Anzahl der Kurzschlußpunkte wird nach 100 Stun den aus dem beschleunigten Test ausgewertet. Die Anzahl der Kurzschlußpunkte, die in Tabelle 1 gezeigt ist, ist eine Summenzahl von 200 Proben.

TABELLE 1

Die Probe 1 in Tabelle 1, die ein Kern-Schale-Flächenver hältnis von 9 : 1 aufweist, weist eine kleine Dielektrizitäts konstante ε von 4.230 auf, und die Anzahl der Kurzschluß punkte nach der Hochtemperaturbelastung ist 5. Die Probe 2, die ein Kern-Schale-Flächenverhältnis von 8 : 2 aufweist, weist eine kleine Dielektrizitätskonstante ε von 4.760 auf, und die Anzahl der Kurzschlußpunkte nach der Hochtemperatur belastung ist 2. Es wird angenommen, daß ein unzureichendes Sintern der Keramikschichten zwischen den inneren Elektroden bei den Proben 1 und 2 aufgrund einer niedrigen Sintertempe ratur von 1.260°C auftritt und zu einem Kurzschließen nach der Hochtemperaturbelastung führt.

Zusätzlich ist bei der Probe 10, die ein Kern-Schale- Flächenverhältnis von 2 : 8 aufweist, die Anzahl der Kurz schlußpunkte nach der Hochtemperaturbelastung 2, obwohl die Dielektrizitätskonstante ε hoch ist, d. h. 5.840. Es wird angenommen, daß bei dieser Probe eine hohe Sintertemperatur von 1.350°C und ein Kern-Schale-Flächenverhältnis von 2 : 8 die Reaktivität der Keramikteilchen verbessert, und daß die Kernfläche verringert wird, was die Dielektrizitätskonstante erhöht. Außerdem wird angenommen, daß das Hochtemperatursin tern das Kornwachstum erleichtert, was das Kurzschließen während des Hochtemperaturbelastungstests beschleunigt.

Im Gegensatz dazu weisen die Proben 3 bis 9, die Kern-Scha le-Flächenverhältnisse innerhalb des Schutzbereichs der vor liegenden Erfindung aufweisen, eine hohe Dielektrizitätskon stante ε auf, die 5.120 überschreitet, und besitzen keine Kurzschlußpunkte nach der Hochtemperaturbelastung. Die ther mische Änderung der Kapazität TCC liegt innerhalb eines Be reichs von +20% bis -30%, was die D-Charakteristik gemäß dem Japanischen Industriestandard (JIS) erfüllt.

Dementsprechend kann die Steuerung des Kern-Schale-Flächen verhältnisses innerhalb eines Bereichs von 7 : 3 bis 3 : 7 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der elektrostati schen Kapazität und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit nach dem Hochtemperaturbelastungstest ohne eine verringerte thermische Änderung der Kapazität erreichen.

Es werden in den Proben 4, 6 und 8 keine Kurzschlußpunkte nach der Hochtemperaturbelastung ungeachtet einer sehr großen Dicke der Keramikschicht zwischen den inneren Elek troden von 2,5 µm beobachtet. Diese Resultate zeigen, daß die Steuerung des Kern-Schale-Flächenverhältnisses zum Vor sehen von monolithischen Keramikkondensatoren wirksam ist, die für eine weitere Miniaturisierung und eine größere Kapa zität geeignet sind.

Diese experimentellen Resultate zeigen, daß die Sintertempe ratur die Steuerung des Kern-Schale-Flächenverhältnisses innerhalb des spezifischen Bereichs von 7 : 3 bis 3 : 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Andere Faktoren zum Steuern des Kern-Schale-Flächenverhältnisses sind beispiels weise der Typ und die Menge des Materials für die Schalen und die Größe der dielektrischen Keramikteilchen als die Kerne.

Bei der vorliegenden Erfindung können beliebige andere di elektrische Keramikteilchen, beispielsweise Strontiumtita nat-basierte dielektrische Keramikteilchen anstelle der Bariumtitanat-basierten Keramikteilchen verwendet werden, die bei den obigen Beispielen verwendet werden.

Anstelle des pulverisierten Oxidglases, das hauptsächlich aus BaO-SrO-LiO-SiO₂ zusammengesetzt ist, können die Schalen aus beliebigen anderen Materialien gebildet sein, die Di elektrizitätskonstanten aufweisen, die niedriger sind als dieselben der Keramikteilchen. Beispiele derartiger Materia lien umfassen Zn, PbO und B₂O₃.

Wie im vorhergehenden beschrieben, ist der monolithische Keramikkondensator gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Kerne zu den Schalen in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Quer schnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in einer belie bigen Richtung liegt. Der monolithische Keramikkondensator, der eine derartige Konfiguration aufweist, weist eine erhöh te elektrostatische Kapazität und eine reduzierte Anzahl von kurzgeschlossenen Stellen nach der Hochtemperaturbelastung ohne eine Verschlechterung der überlegenen Kondensatortempe raturabhängigkeit, die den monolithischen Keramikkondensato ren mit Kern-Schale-Strukturen inhärent ist, auf. Dement sprechend kann der monolithische Keramikkondensator weiter miniaturisiert werden und eine höhere Kapazität zusätzlich zu überlegenen Temperaturcharakteristika besitzen.

Außerdem kann bei der vorliegenden Erfindung eine große elektrostatische Kapazität unter Verwendung von Bariumtita nat-basierten Keramikteilchen erreicht werden, was geringere Umwelteffekte im Vergleich zu Blei-Perowskit-Keramik-Mate rialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten erzeugt, die bei herkömmlichen Hochkapazitätskeramikkondensatoren verwendet werden. Zusätzlich trägt die Verwendung von Ni als innere Elektroden zu reduzierten Materialkosten bei.

Claims

1. Monolithischer Keramikkondensator (1) mit folgenden Merkmalen:
einem gesinterten Keramikpreßkörper (2) mit einer Kern-Schale-Struktur, die Kerne (3), die aus einer aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusammen gesetzt sind, und Schalen (4) aufweist, die auf den Kernen (3) gebildet sind und aus einem Material zusam mengesetzt sind, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die niedriger als die der dielektrischen Ke ramik ist;
mindestens zwei inneren Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f), die in dem gesinterten Keramikpreßkörper (2) angeordnet und durch denselben getrennt sind, um sich in der Dickenrichtung zu überlappen; und
mindestens zwei äußeren Elektroden (6, 7), die auf den äußersten Flächen des gesinterten Keramikpreßkörpers (2) gebildet sind;
wobei das Flächenverhältnis der Kerne zu den Schalen in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers in einer beliebigen Richtung liegt.

2. Monolithischer Keramikkondensator (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die aus Teilchen bestehende dielektrische Keramik eine aus Teilchen bestehende Bariumtitanat- basierte Keramik aufweist.

3. Monolithischer Keramikkondensator (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die inneren Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) Ni aufweisen.

4. Gesinterter Keramikpreßkörper (2) zur Verwendung beim Bilden eines monolithischen Keramikkondensators (1), mit folgenden Merkmalen:
einer Kern-Schale-Struktur mit Kernen (3), die aus ei ner aus Teilchen bestehenden dielektrischen Keramik zusammengesetzt sind, und Schalen (4), die auf den Kernen (3) gebildet sind und aus einem Material zusam mengesetzt sind, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die niedriger als die der dielektrischen Keramik ist, wobei das Flächenverhältnis der Kerne (3) zu den Schalen (4) in einem Bereich von 7 : 3 bis 3 : 7 in einem Querschnitt des gesinterten Keramikpreßkörpers (2) in einer beliebigen Richtung liegt.

5. Gesinterter Keramikpreßkörper (2) gemäß Anspruch 4, bei dem die aus Teilchen bestehende dielektrische Ke ramik eine aus Teilchen bestehende Bariumtitanat-ba sierte Keramik aufweist.