JP2004193233A

JP2004193233A - 積層セラミック電子部品

Info

Publication number: JP2004193233A
Application number: JP2002357471A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Azumi; 健安積
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】放熱性に優れ、かつデラミネーションやクラックの発生しにくい積層セラミック電子部品を得る。
【解決手段】セラミック層１４と内部電極層１６との積層面に直交する積層セラミック電子部品１０の断面において、この断面に表れる内部電極層１６を構成する内部電極粒２４の内部電極層１６の長手方向における平均長さが、内部電極層１６の厚み方向における内部電極粒２４の平均厚みに対して、０．５〜２倍の範囲となるように設定する。さらに、内部電極層１６形成部分における内部電極粒２４の平均存在率を７０〜９５面積％の範囲となるように設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、積層セラミック電子部品に関し、特に、たとえば中高圧で使用される積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、積層セラミック電子部品の一例を示す図解図である。積層セラミック電子部品１０は、基体１２を含む。基体１２は、セラミック層１４と内部電極層１６とを交互に積層した構造を有している。このような基体１２において、隣接する内部電極層１６は、互いに対向する端部に引き出される。これらの内部電極層１６が引き出された基体１２の端部には、外部電極１８が形成される。このような積層セラミック電子部品１０としては、たとえば積層セラミックコンデンサなどがある。
【０００３】
このような積層セラミック電子部品１０を作製するには、セラミックグリーンシート上に電極材料で内部電極用パターンが形成される。そして、内部電極用パターンが形成されたセラミックグリーンシートを積層し、その両側に内部電極用パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを積層することによって積層体が得られる。このようにして得られた積層体が圧着され、焼成されることにより、セラミック層１４と内部電極層１６とからなる基体１２が形成される。この基体１２に外部電極１８を形成することにより、積層セラミック電子部品１０が作製される。
【０００４】
ところが、中高圧で使用する積層セラミックコンデンサなどでは、セラミック層部分において発熱が生じるため、外部に放熱する必要がある。放熱性をよくするためには、たとえば内部電極の厚みを大きくすることが考えられる。この場合、内部電極の抵抗は小さくなり、放熱性も良好となる。しかしながら、このような構造を採用した場合、内部電極層とセラミック層との密着性が悪くなる。そして、内部電極用材料とセラミックグリーンシートとでは、焼成温度や熱膨張係数が異なるため、これらの間の密着性が悪いと、積層体の焼成時に、デラミネーションやクラックの発生の恐れがある。
【０００５】
そこで、デラミネーションやクラックの発生を抑えることができる積層チップ部品が、提案されている。この積層チップ部品は、内部電極形成部分にセラミック材料からなる共材を含有し、積層面に直交する断面において、内部電極層中の共材の面積率を１５〜３３面積％としたものである。つまり、電極材料を焼成して形成された内部電極層は、拡大してみると網目状になっているが、この網目の間に共材を含有させ、共材の平均存在率を規定することによりデラミネーションやクラックの発生を抑えたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
共材の面積率について、図３を使って説明すると、積層チップ部品の断面における内部電極層の長さをＬとし、共材２０が存在する網目部分の長さをＺ_１，Ｚ_２，・・とし、内部電極の積層数をＮとしたとき、次式で表されるＺが１５〜３３面積％の範囲にあることを示す。なお、図３に示すように、内部電極層１６の網目には、共材の存在しないポア２２が形成されている部分もある。
【０００７】
【数１】

【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１７２８５５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような積層チップ部品では、内部電極層１６の両側のセラミック層１４が共材２０で連結された構造となるため、デラミネーションやクラックなどの発生を抑えることができる。しかしながら、特許文献１に示された積層チップ部品では、デラミネーションやクラックの発生を抑えることはできるが、放熱性については考慮されていない。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、放熱性に優れ、かつデラミネーションやクラックの発生しにくい積層セラミック電子部品を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、セラミック層と内部電極層とが積層された基体を含む積層セラミック電子部品において、基体の積層面に直交する断面に表れる内部電極層について、内部電極層を構成する内部電極粒の内部電極層長手方向における平均長さが内部電極層厚み方向における平均厚みに対して０．５〜２倍の範囲にあり、かつ、内部電極層形成部分における内部電極の面積率が７０〜９５面積％であることを特徴とする、積層セラミック電子部品である。
このような積層セラミック電子部品において、内部電極層は、Ｎｉを主成分とする内部電極材料で形成することができる。
また、内部電極材料は、未焼成のセラミック粉末またはセラミック層と略同質のセラミック粉末を含むことが好ましい。
【００１２】
積層セラミック電子部品において、通常、内部電極層は太い線が網状に繋がった構造を有している。このような網目構造の線サイズを小さくし、かつ内部電極を密に存在させることにより、網目にセラミックが入り込んで、内部電極とセラミックとの接合面積を高めることができ、放熱性を高めることができる。また、セラミックと内部電極との接合面積を大きくすることができるため、密着強度を高めることができ、デラミネーションやクラックの発生を抑えることができる。
このような積層セラミック電子部品において、内部電極材料としてＮｉを主成分としたものを用いることができる。
また、内部電極材料に、未焼成のセラミック粉末やセラミック層と略同質のセラミック粉末を含ませることにより、内部電極層の網目部分に存在するセラミックと内部電極層の両側のセラミック層とがほぼ同じ性質を有することとなり、これらのセラミックの密着性をよくすることができる。
【００１３】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の積層セラミック電子部品の一例として、図２に示す積層セラミック電子部品について説明する。この積層セラミック電子部品１０において、内部電極層１６は網目状となるため、セラミック層１４と内部電極層１６との積層面に直交する断面においては、図１に示すように、内部電極粒２４が直線的に並んだ形状となる。なお、内部電極粒２４の間、つまり内部電極層１６の網目には、セラミック層１４と略同質のセラミック２６が存在するが、作製工程の条件によって、セラミックの存在しないポア２２が発生する場合もある。
【００１５】
このような積層セラミック電子部品１０の断面において、内部電極層１６の長手方向における内部電極粒２４の長さをｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，・・，ｒ_ｎとし、内部電極層１６の厚み方向の内部電極粒２４の厚みをｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・，ｔ_ｎとし、内部電極層１６の全長さをＬとしたとき、内部電極粒２４の平均長さ率Ｒ、および面積率Ａは、次式で表される。
【００１６】
【数２】

【００１７】
【数３】

【００１８】
つまり、内部電極粒２４の平均長さ率Ｒは、内部電極層１６の厚み方向における内部電極粒２４の平均厚みに対する内部電極層１６の長手方向における内部電極粒２４の平均長さの割合を示す。また、内部電極の面積率Ａは、内部電極粒２４とセラミック２６とポア２２とからなる内部電極層１６形成部分において、内部電極粒２４の平均存在率を示す。
【００１９】
これらの内部電極粒２４の平均長さ率Ｒは、０．５〜２の範囲に設定される。また、内部電極の面積率Ａは、７０〜９５面積％の範囲に設定される。このように、内部電極粒２４の平均長さ率Ｒや内部電極の面積率Ａを調整するには、基体１２を作製するときに、内部電極材料が調整される。内部電極材料としては、たとえばＮｉが用いられ、さらにセラミック層１４の材料となる未焼成セラミック粉末が含まれる。なお、未焼成セラミック粉末に代えて、セラミック層１４と略同質のセラミック粉末が含まれていてもよい。
【００２０】
この積層セラミック電子部品１０を作製するには、主成分とするセラミック粉末と、バインダと、可塑剤と、ガラス粉末とを含む原料が準備される。これらの原料に溶剤が加えられ、湿式混合されてスラリーが得られる。
【００２１】
このようにして得られたスラリーがシート状に成形され、乾燥してセラミックグリーンシートが得られる。このセラミックグリーンシート上に、上述の内部電極用材料が印刷され、内部電極用パターンが形成される。そして、内部電極用パターンが形成されたセラミックグリーンシートが積層され、さらにその両側に内部電極用パターンが形成されていないセラミックグリーンシートが積層される。得られた積層体が圧着され、カットされたのち、焼成されて基体１２が得られる。このとき、内部電極用材料に未焼成のセラミック粉末やセラミック層１４と略同質のセラミック粉末が含まれていることにより、焼成されて形成される内部電極層１６の網目にセラミック２６が形成される。この基体１２の両端に外部電極１８が形成されて、積層セラミック電子部品１０が作製される。なお、カットされた積層体の両端に外部電極用材料を付与して焼成することにより、外部電極１８を有する積層セラミック電子部品１０が形成されてもよい。
【００２２】
この積層セラミック電子部品１０では、基体１２の積層面に直交する切断面において、上述の数式２に示す内部電極粒２４の平均長さ率Ｒが、０．５〜２の範囲に設定される。また、上述の数式３に示す内部電極粒２４の面積率Ａが、７０〜９５面積％の範囲に設定される。内部電極粒２４の平均長さ率Ｒが０．５〜２の範囲内であるとき、網目状に形成される内部電極層１６の線が細くなり、また、内部電極の面積率Ａが７０〜９５面積％であるとき、内部電極が密に存在することとなる。
【００２３】
このように、内部電極層１６の線を細くすることにより、多数の網目が形成され、その両側のセラミック層１４との接合面積が大きくなる。また、内部電極が密に存在することにより、発生した熱の伝導が良好となる。さらに、内部電極用材料には、セラミック層１６の材料となる未焼成のセラミック粉末やセラミック層１６と略同質のセラミック粉末が含まれるため、内部電極層１６の網目に形成されるセラミック２６は、セラミック層１６と略同質のものとなる。そのため、内部電極層１６の網目内のセラミック２６が、内部電極層１６の両側のセラミック層１４と良好に連結される。そのため、セラミック層１４と内部電極層１６との接着性がよくなり、焼成時にデラミネーションやクラックが発生しにくくなる。
【００２４】
さらに、セラミック層の材料にガラス粉末が含まれていることにより、焼成時にガラス成分が内部電極に密着し、セラミック層１４と内部電極層１６との接着性はさらによくなる。
【００２５】
【実施例】
図２に示すような構造を有する積層セラミック電子部品の一例として、積層セラミックコンデンサを作製した。まず、ホウ素を含むガラス粉末を含み、ＢａＴｉＯ_３を主成分とするセラミック粉末と、バインダであるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）樹脂と、可塑剤であるＤＯＰ（ジオクチルフタレート）を各々秤量し、これに溶剤としてトルエンとアルコールを加えて、ボールミルで湿式混合した。ここで、セラミック粉末とＰＶＢ樹脂とＤＯＰの混合は、１００：９．０：２．０の重量比となるように調合した。これらの材料を混合して得られたスラリーをドクターブレード法でシート状に成形し、乾燥させて、厚さ１０μｍのセラミックグリーンシートを得た。
【００２６】
また、内部電極用材料として、平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末を使用し、Ｎｉ粉末と平均粒径０．８μｍのＢａＴｉＯ_３粉末とエチルセルロース樹脂を９５：５：６の重量比で混合した。これらの材料を３本ロールミルで混練し、導電ペーストを得た。
【００２７】
次に、スクリーン印刷によって、セラミックグリーンシートに導電ペーストを印刷し、厚さ３．５μｍの内部電極用パターンを形成した。そして、内部電極用パターンを形成していないセラミックグリーンシートを３２枚、内部電極用パターンを形成したセラミックグリーンシートを１９５枚、さらに内部電極用パターンを形成していないセラミックグリーンシートを３３枚、下からこの順に積層し、温度６０℃、圧力１．０ｔ／ｃｍ^２の条件で加熱、加圧し、厚さ２．５ｍｍの積層体を得た。
【００２８】
この積層体を内部電極用パターンに合わせて切断し、５．２ｍｍ×３．７ｍｍ×２．５ｍｍの積層体を得た。この積層体の両端面に、外部電極用としてＮｉペーストを付け、水素１．０％の窒素雰囲気中にて１３００℃で焼成し、積層セラミックコンデンサを得た。
【００２９】
この積層セラミックコンデンサを誘電体セラミック層と内部電極層との積層面に対して直交する面でカットし、走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）でその断面を観察した結果、断面に表れる内部電極粒の状態は、表１に示す通りであった。なお、表１において、内部電極粒の平均長さ率Ｒは数式２を用い、内部電極粒の面積率Ａは数式３を用いて算出した。なお、発熱不良については、積層セラミックコンデンサに１０ｋＨｚ、１００ｍＡの交流電流を通したときに、積層セラミックコンデンサの温度が上昇して、常温から２０℃以上高くなるものを不良とした。
また、構造欠陥不良については、積層セラミックコンデンサに２００Ｖの電圧を１秒間印加した後、超音波探傷装置でデラミネーションやクラックが検出されたものを不良とした。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１からわかるように、内部電極層の面積率Ａが７０面積％未満では、積層セラミックコンデンサの温度上昇が大きくなり、発熱不良が発生した。これは、内部電極の密度が小さくなると、熱伝導性が悪くなり、温度を発散させることができないからであると考えられる。また、内部電極層の面積率Ａが９５面積％を超えると、構造欠陥不良が増加した。これは、内部電極層の密度が大きくなりすぎて、網目が少なくなり、網目に入り込むセラミックが少なくなって、誘電体セラミック層と内部電極層との接合面積が小さくなったためであると考えられる。
【００３２】
さらに、積層セラミックコンデンサの断面における内部電極粒の平均長さ率Ｒが３．０以上では、デラミネーションやクラックによる構造欠陥不良が増加し、発熱不良率も増加した。これは、内部電極層の網目構造の線幅が大きくなったために網目が少なくなり、網目に入り込むセラミックが少なくなって、誘電体セラミック層と内部電極層との接合面積が小さくなったためであると考えられる。つまり、誘電体セラミック層と内部電極層との接合面積が小さくなると、これらの間の密着性が悪くなるとともに、誘電体セラミック層から内部電極層への熱伝道率が悪くなるからである。また、内部電極粒の平均長さ率Ｒが０．３以下では、クラックによる構造欠陥不良が増加した。これは、内部電極の厚みが厚くなったために、高電圧印加で、内部電極粒のまわりのセラミックに大きな応力が発生し、その結果クラックが生じたと考えられる。
以上のように、表１から内部電極粒の平均長さ率Ｒが０．５〜２の範囲で、内部電極層の面積率Ａが７０〜９５面積％のときには、発熱不良および構造欠陥不良が生じないことがわかる。
【００３３】
次に、内部電極材料であるＮｉ粉末の粒径と内部電極に添加するＢａＴｉＯ_３粉末の粒径が内部電極の面積率Ａおよび内部電極の独立断面の平均長さ率Ｒに与える影響について検証した。その結果を表２に示す。なお、Ｎｉ粉末の粒径と内部電極に添加するＢａＴｉＯ_３粉末の粒径以外の条件は上記実施例と同じ条件で試料となる積層セラミックコンデンサを作製した。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表２からわかるように、Ｎｉ粉末の粒径が０．１μｍの試料７の時は、部分的に内部電極が切れて面積率Ａが低下し、かつ内部電極粒が微細化しにくくなり平均長さ率Ｒが大きくなり、発熱不良率が増加している。また、Ｎｉ粒径が２．０μｍ以上となる試料１４、１５では、面積率Ａが低下し、内部電極粒の平均長さ率Ｒは変わらないが厚みが増して、構造欠陥が低下している。
【００３６】
さらに、表２からわかるように、ＢａＴｉＯ_３粉末の粒径が０．１μｍの試料１〜３では、内部電極が切れ切れとなり、面積率Ａが低下し、かつ微細化も進まず、内部電極粒の平均長さ率Ｒが大きくなり、発熱不良率が増加している。また、５．０μｍでは面積率Ａが低下し、内部電極粒の平均長さ率Ｒは変わらないが厚みが増して、構造欠陥が低下している。
【００３７】
以上のように、表２からＮｉ粉末の粒径とＢａＴｉＯ_３粉末の粒径を制御することにより、所望の内部電極粒の平均長さ率Ｒおよび内部電極の面積率Ａを得られることがわかる。なお、Ｎｉ粉末とＢａＴｉＯ_３粉末の重量比によっても変化させることが可能である。要は、内部電極粒の平均長さ率Ｒが０．５〜２の範囲で、内部電極層の面積率Ａが７０〜９５面積％に制御できればよい。
【００３８】
【発明の効果】この発明によれば、積層セラミック電子部品の積層面に対して直交する断面に表れる内部電極について、内部電極粒の平均長さ率および内部電極層の面積率を規定することにより、セラミック層との接合面積が大きくなり、セラミック層部分における発熱による熱が内部電極を介して放散されやすくなって、積層セラミック電子部品の温度上昇を低減させることができる。また、内部電極層とセラミック層との接合面積が大きくなるため、これらの間の接合力が強くなり、デラミネーションやクラックの発生を防止することができ、高負荷での信頼性の向上や構造欠陥のない高品質の積層セラミック電子部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の積層セラミック電子部品の構造を説明するための断面を示す図解図である。
【図２】この発明が適用される積層セラミック電子部品の一例を示す図解図である。
【図３】従来の積層セラミック電子部品の断面の一例を示す図解図である。
【符号の説明】
１０積層セラミック電子部品
１２基体
１４セラミック層
１６内部電極層
１８外部電極
２２ポア
２４内部電極粒
２６セラミック

Claims

セラミック層と内部電極層とが積層された基体を含む積層セラミック電子部品において、
前記基体の積層面に直交する断面に表れる前記内部電極層について、前記内部電極層を構成する内部電極粒の前記内部電極層長手方向における平均長さが前記内部電極層厚み方向における平均厚みに対して０．５〜２倍の範囲にあり、かつ、前記内部電極層形成部分における前記内部電極の面積率が７０〜９５面積％であることを特徴とする、積層セラミック電子部品。
前記内部電極層は、Ｎｉを主成分とする内部電極材料で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の積層セラミック電子部品。
前記内部電極材料は、未焼成のセラミック粉末または前記セラミック層と略同質のセラミック粉末を含むことを特徴とする、請求項２に記載の積層セラミック電子部品。