JP2005145791A - 電子部品、誘電体磁器組成物およびその製造方法 - Google Patents

電子部品、誘電体磁器組成物およびその製造方法 Download PDF

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Akira Sato
陽 佐藤
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    • C04B2237/405Iron metal group, e.g. Co or Ni

Abstract

【課題】 積層セラミックコンデンサの誘電体層として使用し、微細な粒子から構成され、かつコンデンサを薄層化した場合においても、良好な電気特性や温度特性を有する誘電体磁器組成物の製造方法および、該製造方法により得られる誘電体磁器組成物を提供すること。
【解決手段】 主成分原料および副成分原料を焼成する工程を有する誘電体磁器組成物の製造方法であり、焼成する前の前記主成分原料として、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造であるチタン酸バリウム原料粉末であって、Aサイト成分とBサイト成分の比A/Bがモル比で1.006≦A/B≦1.035、比表面積が8〜50m/gである原料粉末を用いる誘電体磁器組成物の製造方法。
【選択図】 図3

Description

本発明は、たとえば積層セラミックコンデンサの誘電体層などとして用いられる誘電体磁器組成物の製造方法と、その製造方法により得られる誘電体磁器組成物および、その誘電体磁器組成物を誘電体層として用いる電子部品に関する。
電子部品の一例である積層セラミックコンデンサは、たとえば、所定の誘電体磁器組成物からなるセラミックグリーンシートと、所定パターンの内部電極層とを交互に重ね、その後一体化して得られるグリーンチップを、同時焼成して製造される。積層セラミックコンデンサの内部電極層は、焼成によりセラミック誘電体と一体化されるために、セラミック誘電体と反応しないような材料を選択する必要がある。このため、内部電極層を構成する材料として、従来では白金やパラジウムなどの高価な貴金属を用いることを余儀なくされていた。
しかしながら、近年ではニッケルや銅などの安価な卑金属を用いることができる誘電体磁器組成物が開発され、大幅なコストダウンが実現した。
一方、近年、電子回路の高密度化に伴う電子部品の小型化に対する要求は高く、積層セラミックコンデンサの小型化、大容量化が急速に進んでいる。それに伴い、積層セラミックコンデンサにおける1層あたりの誘電体層の薄層化が必要不可欠となっているが、薄層化するとショート不良が多発するという問題が発生してしまう。この問題を解決する方法の1つに、誘電体層を構成する誘電体粒子を微細化するという方法がある。しかし、積層セラミックコンデンサの特性向上という観点より、誘電体粒子を単に微細化するだけでなく、微細化した際においても、良好な電気特性を維持することが必要とされている。
特許文献1では、主成分原料であるチタン酸バリウム系原料粉末として、粒径が微細な粒子を使用し、その最大粒径や粒度分布を限定することで、良好な電気特性を有し、微細な誘電体粒子(誘電体セラミック粒子)を得ている。そして、この誘電体粒子を積層セラミックコンデンサの誘電体層として使用することにより、積層セラミックコンデンサのDCバイアス特性を良好にすることができる旨が記載されている。
上記文献記載の積層セラミックコンデンサ、特に実施例において開示された積層セラミックコンデンサは、誘電体層を構成する誘電体粒子にMnやMg等の副成分を非常に多く添加している。このようにMnやMg等の副成分を多量に添加することにより、誘電体粒子の微細化は可能であるが、同時に電気特性の悪化、たとえば絶縁抵抗の低下等が伴ってしまう。この文献の積層セラミックコンデンサでは、誘電体層の厚みを30μmとしているため問題となっていないが、誘電体層を薄層化した場合、たとえば5μm以下とした場合には、上述した絶縁抵抗の低下に起因する絶縁不良の発生率の増加や、高温負荷寿命の悪化は不可避である。
特開2001−316176号公報
本発明の目的は、積層セラミックコンデンサの誘電体層として使用し、微細な粒子から構成され、かつコンデンサを薄層化した場合においても、良好な電気特性や温度特性を有する誘電体磁器組成物の製造方法および、その製造方法により得られる誘電体磁器組成物を提供することである。また、本発明は、このような誘電体磁器組成物を用いて製造され、良好な電気特性や温度特性を有し、信頼性の高い積層セラミックコンデンサなどの電子部品を提供することも目的とする。特に本発明は、薄層化、多層化および小型化対応の積層セラミックコンデンサ等の電子部品を提供することを目的としている。
本発明の発明者等は、微細な粒子から構成され、かつコンデンサを薄層化した場合においても、良好な電気特性を有し、JIS規格のB特性[−25〜85℃で容量変化率±10%以内(基準温度20℃)]を満足する良好な温度特性を有する誘電体磁器組成物の製造方法について鋭意検討した結果、焼成する前の主成分原料として、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造であるチタン酸バリウム原料粉末であって、Aサイト成分とBサイト成分の比A/Bがモル比で1.006≦A/B≦1.035、比表面積が8〜50m/gである原料粉末を用いることにより、本発明の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法は、
主成分原料および副成分原料を含有する誘電体原料を焼成する工程を有する誘電体磁器組成物の製造方法であって、
前記副成分原料が、Mgの酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物および、MnおよびCrの少なくとも1種の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、それぞれ、主成分原料100モルに対して、MgO、MnO、Cr換算で、
MgO:0.1〜3モル、
MnO+Cr:0〜0.5モルであり、
焼成する前の前記主成分原料が、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造であるチタン酸バリウム原料粉末であって、Aサイト成分とBサイト成分の比A/Bがモル比で1.006≦A/B≦1.035、比表面積が8〜50m/gである原料粉末を用いることを特徴とする。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法においては、
前記副成分原料が、さらに、V、W、TaおよびNbから選ばれる1種または2種以上の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
主成分原料100モルに対して、V、WO、Ta、Nb換算で、
+WO+Ta+Nb:0〜0.5モル(ただし、0は含まず)であることが好ましい。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法においては、
前記副成分原料が、さらに、R(ただし、Rは、Sc、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Dy、Ho、Tb、Gd、Euから選ばれる1種または2種以上)の酸化物および/または焼成後にRの酸化物になる化合物を含有し、
主成分原料100モルに対して、R換算で0〜5モル(ただし、0は含まず)であることが好ましく、
さらに好ましくは、前記Rの酸化物および/または焼成後にRの酸化物になる化合物が、Y、DyおよびHoから選ばれる1種または2種以上の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物である。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法においては、
前記副成分原料が、さらに、Siの酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
主成分原料100モルに対して、SiO換算で、0.5〜12モルであることが好ましい。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法においては、
前記副成分原料が、さらに、Ba、SrおよびCaの少なくとも2種の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
主成分原料100モルに対して、BaO、SrO、CaO換算で、
BaO+SrO+CaO:0.5〜12モルであることが好ましい。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法においては、前記チタン酸バリウム原料粉末のAサイトを構成する成分が、Ba、Sr、Caから選ばれる1種または2種以上を含有し、Bサイトを構成する成分がTiおよび/またはZrを含有することが好ましい。
本発明に係る誘電体磁器組成物は、上記の方法で製造される誘電体磁器組成物である。
本発明に係る誘電体磁器組成物において、好ましくは、前記誘電体磁器組成物を構成する焼成後の誘電体粒子の平均粒径が、0.2μm以下である。
本発明に係る電子部品は、上記記載の誘電体磁器組成物で構成してある誘電体層を有する。電子部品としては、特に限定されないが、積層セラミックコンデンサ、圧電素子、チップインダクタ、チップバリスタ、チップサーミスタ、チップ抵抗、その他の表面実装(SMD)チップ型電子部品が例示される。
本発明に係る積層セラミックコンデンサは、上記記載の誘電体磁器組成物で構成してある誘電体層と、内部電極層とが交互に積層された構成のコンデンサ素子本体を有する。
本発明に係る積層セラミックコンデンサにおいて、好ましくは、前記誘電体層の厚みが4.5μm以下、さらに好ましくは3.0μm以下である。
本発明の製造方法によれば、積層型セラミックコンデンサなどの電子部品の誘電体層として用いられる誘電体磁器組成物の製造方法において、他の電気特性を悪化させることなく誘電体粒子の微細化を行うことができ、積層セラミックコンデンサを薄層化した場合においても、信頼性が高く、B特性を満足する良好な温度特性を有し、高温負荷寿命に優れた誘電体磁器組成物の製造方法および、その製造方法により得られる誘電体磁器組成物を提供することができる。
また、本発明の製造方法により得られる誘電体磁器組成物を積層型セラミックコンデンサの誘電体層として使用することにより、コンデンサを薄層化、多層化した場合においても、信頼性が高く、B特性を満足する良好な温度特性を有し、高温負荷寿命に優れた積層型セラミックコンデンサなどの電子部品を提供することができる。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの断面図、
図2はチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と焼成後の誘電体粒子の平均粒径との関係を示すグラフ、
図3はチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と高温負荷寿命との関係を示すグラフである。
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法について説明する前に、まず、積層セラミックコンデンサについて説明する。
積層セラミックコンデンサ
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1は、誘電体層2と内部電極層3とが交互に積層された構成のコンデンサ素子本体10を有する。このコンデンサ素子本体10の両端部には、素子本体10の内部で交互に配置された内部電極層3と各々導通する一対の外部電極4が形成してある。コンデンサ素子本体10の形状に特に制限はないが、通常、直方体状とされる。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよいが、通常、(0.4〜5.6mm)×(0.2〜5.0mm)×(0.2〜1.9mm)程度である。
内部電極層3は、各端面がコンデンサ素子本体10の対向する2端部の表面に交互に露出するように積層してある。一対の外部電極4は、コンデンサ素子本体10の両端部に形成され、交互に配置された内部電極層3の露出端面に接続されて、コンデンサ回路を構成する。
誘電体層2
誘電体層2は、本発明の製造方法により得られる誘電体磁器組成物を含有する。
本発明の一実施形態に係る誘電体磁器組成物は、誘電体粒子から構成され、誘電体粒子は、主成分とてしてチタン酸バリウムを含有するとともに、副成分を含有する。
上記副成分は、
Mgの酸化物および、MnおよびCrの少なくとも1種の酸化物を含有し、
好ましくは、
V、W、TaおよびNbから選ばれる1種または2種以上の酸化物、
R(ただし、Rは、Sc、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Dy、Ho、Tb、Gd、Euから選ばれる1種または2種以上)の酸化物、
Siの酸化物、
Ba、SrおよびCaの少なくとも2種の酸化物を含有する。
また、上記Rの酸化物は、特に、Y、DyおよびHoから選ばれる1種または2種以上の酸化物であることが好ましい。
Mgの酸化物は、容量温度特性を平坦化させる効果および粒成長を抑制する効果があり、主成分100モルに対して、MgO換算で0.1〜3モルであり、好ましくは0.5〜2.0モルである。Mgの酸化物の含有量が少なすぎると異常粒成長が生じる傾向にあり、多すぎると比誘電率が低下する傾向にある。
MnおよびCrの酸化物は、焼結を促進する効果と、IR(絶縁抵抗)を高くする効果と、高温負荷寿命を向上させる効果とがあり、主成分100モルに対して、(MnO+Cr)換算で0〜0.5モルであり、好ましくは0〜0.25モルである。MnおよびCrの酸化物の含有量が多すぎると比誘電率が低下する傾向にある。
V、W、TaおよびNbの酸化物は、高温負荷寿命を向上させる効果があり、主成分100モルに対して、(V+WO+Ta+Nb)換算で0〜0.5モルであることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜0.1モルである。Vの酸化物の含有量が多すぎると、IRが著しく低下する傾向にある。
R(ただし、Rは、Sc、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Dy、Ho、Tb、Gd、Eu)の酸化物は、主として、高温負荷寿命を向上させる効果を示し、主成分100モルに対して、R換算で0〜5モルであることが好ましく、さらに好ましくは1.0〜3.5モルである。Rの酸化物の含有量が多すぎると焼結性が悪化する傾向にある。
Siの酸化物は、焼結助剤として作用し、主成分100モルに対して、SiO換算で0.5〜12モルであることが好ましく、さらに好ましくは2.0〜5.0モルである。Siの酸化物の含有量が少なすぎると焼結性が悪化する傾向にあり、多すぎると比誘電率が低下する傾向にある。
Ba、SrおよびCaの酸化物は、静電容量の温度特性を改善する効果を示し、主成分100モルに対して、(BaO+SrO+CaO)換算で、0.5〜12モルであることが好ましく、さらに好ましくは2.0〜5.0モルである。BaおよびCaの酸化物の含有量が少なすぎると異常粒成長が生じる傾向にあり、多すぎると焼結性が悪化すると共に、比誘電率が低下する傾向にある。
なお、Siの酸化物、Ba、SrおよびCaの酸化物は、(Ba,Sr)SiO2+x、(Ba,Ca)SiO2+x、(Sr,Ca)SiO2+xで表される複合酸化物の形態で添加することも可能である。上記複合酸化物は融点が低いため、Siの酸化物、Ba、SrおよびCaの酸化物は、複合酸化物である上記形態で添加することが好ましい。上記各組成式におけるxは、好ましくは0.8〜1.2であり、さらに好ましくは0.9〜1.1である。xが小さすぎると、すなわちSiOが多すぎると、比誘電率が低下する傾向にあり、xが大きすぎると、融点が高くなって焼結性が悪化する傾向にある。
なお、本明細書では、主成分および各副成分を構成する各酸化物を化学量論組成で表しているが、各酸化物の酸化状態は、化学量論組成から外れるものであってもよい。ただし、各副成分の上記比率は、各副成分を構成する酸化物に含有される金属量から上記化学量論組成の酸化物に換算して求める。
誘電体層2の厚さは、一層あたり、4.5μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは3.0μm以下、より好ましくは2.6μm以下である。
誘電体層2に含まれる焼成後の誘電体粒子の平均粒径は、0.2μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.18μm以下である。平均粒径の下限は特に限定されないが、通常0.02μm程度である。本発明の製造方法によると、焼成後の誘電体粒子の微細化が可能となるため、誘電体粒子の平均粒径を0.2μm以下、さらに0.18μm以下とすることができる。
内部電極層3
内部電極層3に含有される導電材は特に限定されないが、誘電体層2の構成材料が耐還元性を有するため、卑金属を用いることができる。導電材として用いる卑金属としては、NiまたはNi合金が好ましい。Ni合金としては、Mn,Cr,Co,CuおよびAlから選択される1種以上の元素とNiとの合金が好ましく、合金中のNi含有量は95重量%以上であることが好ましい。なお、NiまたはNi合金中には、P等の各種微量成分が0.1重量%程度以下含まれていてもよい。内部電極層3の厚さは用途等に応じて適宜決定すればよいが、通常、0.05〜3μm、特に0.1〜2.0μm程度であることが好ましい。
外部電極4
外部電極4に含有される導電材は特に限定されないが、本発明では安価なNi,Cuや、これらの合金を用いることができる。外部電極4の厚さは用途等に応じて適宜決定されればよいが、通常、10〜50μm程度であることが好ましい。
積層セラミックコンデンサの製造方法
本発明に係る誘電体磁器組成物の製造方法を用いて製造される積層セラミックコンデンサ1は、ペーストを用いた通常の印刷法やシート法によりグリーンチップを作製し、これを焼成した後、外部電極を印刷または転写して焼成することにより製造される。以下、製造方法について具体的に説明する。
まず、誘電体層用ペーストに含まれる誘電体原料を準備し、これを塗料化して、誘電体層用ペーストを調製する。 誘電体層用ペーストは、誘電体原料と有機ビヒクルとを混練した有機系の塗料であってもよく、水系の塗料であってもよい。
本実施形態では、誘電体原料は主成分原料と副成分原料を含有し、主成分原料としてチタン酸バリウム原料粉末を使用する。
チタン酸バリウム原料粉末は、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造を有しており、組成式ABOにおけるAサイトを構成する成分のモル数を、Bサイトを構成する成分のモル数で除した値、すなわちA/Bの値が1.006≦A/B≦1.035であり、好ましくは1.006≦A/B≦1.02、さらに好ましくは1.006≦A/B≦1.009である。A/Bの値が小さすぎると、粒成長が生じ、高温負荷寿命が悪化する傾向にあり、A/Bの値が大きすぎると焼結性が低下し、焼成が困難になる傾向にある。
さらに、チタン酸バリウム原料粉末は、その比表面積が8〜50m/gであり、好ましくは10〜50m/g、さらに好ましくは15〜50m/gである。比表面積が小さすぎると焼成後の誘電体粒子の微細化が困難となる傾向にあり、比表面積が大きすぎると原料粉末が非常に微細であるため、製造時における原料粉末の分散が著しく困難となり分散不良が発生し、コンデンサとしての性能の低下の原因となる傾向にある。
本発明の特徴点は、主成分原料のチタン酸バリウム原料粉末として、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造を有しており、組成式ABOにおけるAサイト成分とBサイト成分の比A/Bのモル比の値が上記範囲であり、かつ比表面積が上記範囲である原料粉末を使用する点にある。主成分原料として、このようなチタン酸バリウム原料粉末を使用することにより、副成分を多量に添加する必要がないため、他の電気特性を悪化させることなく焼成後の誘電体粒子の微細化が可能となり、誘電体層を薄層化した場合においても、信頼性が高く、B特性を満足する良好な温度特性を有し、特に高温負荷寿命に優れた積層セラミックコンデンサを得ることが可能となる。
Aサイトを構成する成分としては、Ba、Sr、Caから選ばれる1種または2種以上を含有することが好ましく、さらに好ましくは、Baおよび/またはSrである。
Bサイトを構成する成分としては、Tiおよび/またはZrを含有することが好ましく、さらに好ましくは、Tiである。
なお、組成式ABOにおけるA/Bの値の測定方法としては、蛍光X線分析法やIPC分析等によって行うことができる。蛍光X線分析法では、チタン酸バリウム原料粉末にX線を照射することにより発生する各構成元素の特性X線を検出することにより、原料粉末中に存在する各組成物の存在比を重量比で測定することができる。そして、各組成物の重量比より、各元素のモル数を計算し、Aサイトに入る元素(たとえばBa、Sr、Ca)のモル数を、Bサイトに入る元素(たとえばTi、Zr)のモル数で除すことによりA/Bの値を求めることができる。
チタン酸バリウム原料粉末の製造方法としては、特に限定されないが、たとえば、固相法、シュウ酸塩法、水熱合成法、アルコキシド法、ゾルゲル法等によって製造することができる。
副成分原料としては、上述した各元素の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有することが好ましく、その含有量は、上述した範囲とすることが好ましい。
また、主成分原料および副成分原料の少なくとも一部を焼成前に反応させておくために、誘電体原料の仮焼きを行っても良い。
仮焼条件は、特に限定されないが、昇温速度を50〜400℃/時間、保持温度を700℃〜1100℃、温度保持時間を0.5時間〜6時間、仮焼雰囲気を空気中または窒素中とすることが好ましい。
なお、主成分原料および副成分原料から構成される誘電体原料としては、上記した酸化物やその混合物、複合酸化物を用いることができるが、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物、例えば、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等から適宜選択し、混合して用いることもできる。誘電体原料中の各化合物の含有量は、焼成後に上記した誘電体磁器組成物の組成となるように決定すればよい。塗料化する前の状態で、誘電体原料の粒径は、通常、平均粒径0.02〜0.15μm程度である。
有機ビヒクルとは、バインダを有機溶剤中に溶解したものである。有機ビヒクルに用いるバインダは特に限定されず、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等の通常の各種バインダから適宜選択すればよい。また、用いる有機溶剤も特に限定されず、印刷法やシート法など、利用する方法に応じて、テルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等の各種有機溶剤から適宜選択すればよい。
また、誘電体層用ペーストを水系の塗料とする場合には、水溶性のバインダや分散剤などを水に溶解させた水系ビヒクルと、誘電体原料とを混練すればよい。水系ビヒクルに用いる水溶性バインダは特に限定されず、例えば、ポリビニルアルコール、セルロース、水溶性アクリル樹脂などを用いればよい。
内部電極層用ペーストは、上記した各種導電性金属や合金からなる導電材、あるいは焼成後に上記した導電材となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等と、上記した有機ビヒクルとを混練して調製する。
外部電極用ペーストは、上記した内部電極層用ペーストと同様にして調製すればよい。
上記した各ペースト中の有機ビヒクルの含有量に特に制限はなく、通常の含有量、例えば、バインダは1〜5重量%程度、溶剤は10〜50重量%程度とすればよい。また、各ペースト中には、必要に応じて各種分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等から選択される添加物が含有されていてもよい。これらの総含有量は、10重量%以下とすることが好ましい。
印刷法を用いる場合、誘電体層用ペーストおよび内部電極層用ペーストを、PET等の基板上に積層印刷し、所定形状に切断した後、基板から剥離してグリーンチップとする。
また、シート法を用いる場合、誘電体層用ペーストを用いてグリーンシートを形成し、この上に内部電極層用ペーストを印刷した後、これらを積層してグリーンチップとする。
焼成前に、グリーンチップに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、内部電極層ペースト中の導電材の種類やバインダの種類に応じて適宜決定されればよい。また、脱バインダ雰囲気中の酸素分圧は10−45 〜10Paとすることが好ましい。酸素分圧が前記範囲未満であると、脱バインダ効果が低下する。また酸素分圧が前記範囲を超えると、内部電極層が酸化する傾向にある。
また、酸素分圧以外の脱バインダ条件としては、昇温速度を好ましくは5〜300℃/時間、より好ましくは10〜100℃/時間、保持温度を好ましくは180〜400℃、より好ましくは200〜350℃、温度保持時間を好ましくは0.5〜24時間、より好ましくは2〜20時間とする。また、焼成雰囲気は、空気もしくは還元性雰囲気とすることが好ましく、還元性雰囲気における雰囲気ガスとしては、たとえばNとHとの混合ガスを加湿して用いることが好ましい。
グリーンチップ焼成時の雰囲気は、内部電極層用ペースト中の導電材の種類等に応じて適宜決定されればよいが、導電材としてNiやNi合金等の卑金属を用いる場合、焼成雰囲気中の酸素分圧は、10−9〜10−4Paとすることが好ましい。酸素分圧が前記範囲未満であると、内部電極層の導電材が異常焼結を起こし、途切れてしまうことがある。また、酸素分圧が前記範囲を超えると、内部電極層が酸化する傾向にある。
また、焼成時の保持温度は、好ましくは1000〜1400℃、より好ましくは1100〜1350℃である。保持温度が前記範囲未満であると緻密化が不十分となり、前記範囲を超えると、内部電極層の異常焼結による電極の途切れや、内部電極層構成材料の拡散による容量温度特性の悪化、誘電体磁器組成物の還元や異常粒成長が生じやすくなる。
これ以外の焼成条件としては、昇温速度を好ましくは50〜500℃/時間、より好ましくは100〜300℃/時間、温度保持時間を好ましくは0.5〜8時間、より好ましくは1〜3時間、冷却速度を好ましくは50〜500℃/時間、より好ましくは100〜300℃/時間とする。また、焼成雰囲気は還元性雰囲気とすることが好ましく、雰囲気ガスとしてはたとえば、NとHとの混合ガスを加湿して用いることが好ましい。
還元性雰囲気中で焼成した場合、コンデンサ素子本体にはアニールを施すことが好ましい。アニールは、誘電体層を再酸化するための処理であり、これにより電気特性、特に高温負荷寿命を著しく長くすることができる。
アニール雰囲気中の酸素分圧は、10−3Pa以上、特に10−2〜10Paとすることが好ましい。酸素分圧が前記範囲未満であると誘電体層の再酸化が困難であり、前記範囲を超えると内部電極層が酸化する傾向にある。
アニールの際の保持温度は、1100℃以下、特に500〜1100℃とすることが好ましい。保持温度が前記範囲未満であると誘電体層の酸化が不十分となるので、IRが低く、また、高温負荷寿命が短くなりやすい。一方、保持温度が前記範囲を超えると、内部電極層が酸化して容量が低下するだけでなく、内部電極層が誘電体素地と反応してしまい、容量温度特性の悪化、IRの低下、高温負荷寿命の低下が生じやすくなる。なお、アニールは昇温過程および降温過程だけから構成してもよい。すなわち、温度保持時間を零としてもよい。この場合、保持温度は最高温度と同義である。
これ以外のアニール条件としては、温度保持時間を好ましくは0〜20時間、より好ましくは2〜10時間、冷却速度を好ましくは50〜500℃/時間、より好ましくは100〜300℃/時間とする。また、アニールの雰囲気ガスとしては、たとえば、加湿したNガス等を用いることが好ましい。
上記した脱バインダ処理、焼成およびアニールにおいて、Nガスや混合ガス等を加湿するには、例えばウェッター等を使用すればよい。この場合、水温は5〜75℃程度が好ましい。
脱バインダ処理、焼成およびアニールは、連続して行なっても、独立に行なってもよい。
上記のようにして得られたコンデンサ素子本体に、例えばバレル研磨やサンドブラストなどにより端面研磨を施し、外部電極用ペーストを印刷または転写して焼成し、外部電極4を形成する。外部電極用ペーストの焼成条件は、例えば、加湿したNとHとの混合ガス中で300〜800℃にて10分間〜2時間程度とすることが好ましい。そして、必要に応じ、外部電極4表面に、めっき等により被覆層を形成する。
このようにして製造された本発明の積層セラミックコンデンサは、ハンダ付等によりプリント基板上などに実装され、各種電子機器等に使用される。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。
たとえば、上述した実施形態では、本発明に係る電子部品として積層セラミックコンデンサを例示したが、本発明に係る電子部品としては、積層セラミックコンデンサに限定されず、上記組成の誘電体磁器組成物で構成してある誘電体層を有するものであれば何でも良い。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例1
主成分原料として、下記表1に示す比表面積およびA/Bであるチタン酸バリウム原料粉末を準備した。
チタン酸バリウム原料粉末の比表面積は、窒素吸着法(BET法)により測定した。また、チタン酸バリウム原料粉末のA/Bは、蛍光X線分析装置(理学電機(株)製 3550)を使用し、蛍光X線分析法(ガラスビード法)により、粉末中に存在している組成物の重量比(存在量)を、不純物を含めて測定し、重量比をモル比に換算することによって求めた。すなわち、測定の結果得られた各組成物の重量比より、各元素のモル数を計算し、Aサイトに入る元素であるBa、Sr、Caのモル数を、Bサイトに入る元素であるTi、Zrのモル数で除すことによってA/Bの値を算出した。
なお、蛍光X線分析の詳細な結果としては、たとえば表1の実施例の試料12の主成分原料として用いたチタン酸バリウム原料粉末は、
BaO:65.836重量%
TiO:34.114重量%
SiO:0.031重量%
SrO:0.017重量%
Al:0.003重量%
であり、A/Bの値は、1.006となった。
他の試料についても、同様の測定を行うことにより表1に示したA/Bの値を得た。
次に、主成分原料に、副成分原料として、MgO、MnO、V、Y、(Ba,Ca)SiOを添加し、ボールミルにより16時間湿式混合し、乾燥することにより誘電体原料を得た。なお、各副成分原料の添加量は、主成分原料100モルに対して、MgO:2モル、MnO:0.2モル、V:0.03モル、Y:2モル、(Ba,Ca)SiO:3モルとした。
得られた誘電体原料にポリビニルブチラール樹脂およびエタノール系の有機溶媒を添加し、ボールミルで混合し、ペースト化して誘電体層用ペーストを得た。
次に、Ni粒子44.6重量部と、テルピネオール52重量部と、エチルセルロース3重量部と、ベンゾトリアゾール0.4重量部とを、3本ロールにより混練し、スラリー化して内部電極層用ペーストを得た。
これらのペーストを用い、以下のようにして、図1に示される積層型セラミックチップコンデンサ1を製造した。
得られた誘電体層用ペーストを用いてドクターブレード法により、PETフィルム上に厚み3μmのグリーンシートを形成した。この上に内部電極用ペーストをスクリーン印刷法により印刷した後、PETフィルムからシートを剥離した。次いで、これらのグリーンシートと保護用グリーンシート(内部電極層用ペーストを印刷しないもの)とを積層、圧着して、グリーンチップを得た。
次いで、グリーンチップを所定サイズに切断し、脱バインダ処理、焼成およびアニールを下記条件にて行って、積層セラミック焼成体を得た。脱バインダ処理条件は、昇温速度:32.5℃/時間、保持温度:260℃、温度保持時間:8時間、雰囲気:空気中とした。焼成条件は、昇温速度:200℃/時間、保持温度:1200℃、温度保持時間:2時間、冷却速度:200℃/時間、雰囲気ガス:加湿したN+H混合ガスとした。アニール条件は、昇温速度:200℃/時間、保持温度:1050℃、温度保持時間:2時間、冷却速度:200℃/時間、雰囲気ガス:加湿したNガスとした。なお、焼成およびアニールの際の雰囲気ガスの加湿には、水温を20℃としたウエッターを用いた。
次いで、得られた積層セラミック焼成体の端面をサンドブラストにて研磨した後、外部電極としてIn−Gaを塗布し、図1に示す積層セラミックコンデンサの試料1〜18を得た。
得られたコンデンサ試料のサイズは、3.2mm×1.6mm×0.6mmであり、内部電極層に挟まれた誘電体層の数は4とし、内部電極層の厚さは1.2μmであった。表1に、各試料の誘電体層の1層あたりの厚み(層間厚み)と、焼成後の誘電体粒子の平均粒径を示した。
誘電体層の厚みの測定方法としては、まず、得られたコンデンサ試料を内部電極に垂直な面で切断し、その切断面を研磨し、その研磨面を金属顕微鏡で観察することにより焼結後の誘電体層の厚みを測定した。なお、誘電体層の厚みは、測定点数20点の平均値とした。
焼成後の誘電体粒子の平均粒径の測定方法としては、上記の研磨面にケミカルエッチングを施し、その後、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察を行い、コード法により誘電体粒子の形状を球と仮定して算出した。なお、平均粒径は、測定点数250点の平均値とした。
得られた各コンデンサ試料について下記に示す方法により、ショート不良率、比誘電率、高温負荷寿命および静電容量の温度特性の測定を行った。
ショート不良率
ショート不良率は、80個のコンデンサ試料を用い、テスターで導通チェックを行った。そして、得られた抵抗値が10Ω以下のものをショート不良として、その不良個数を求め、全体個数に対する割合(%)を算出した。ショート不良率は低い程好ましい。結果を表1に示す。
比誘電率(ε
コンデンサの試料に対し、基準温度20℃において、デジタルLCRメータ(横河電機(株)製 YHP4284)にて、周波数1kHz,入力信号レベル(測定電圧)1Vrms/μmの条件下で、静電容量Cを測定した。そして、得られた静電容量から、比誘電率(単位なし)を算出した。比誘電率は大きいほど好ましく、本実施例においては、比誘電率は1000以上であることが好ましい。結果を表1に示す。
高温負荷寿命
コンデンサの試料に対し、160℃で20V/μmの直流電圧の印加状態に保持することにより、高温負荷寿命を測定した。この高温負荷寿命は、10個のコンデンサ試料について行い、平均寿命時間を測定することにより評価した。評価として、印加開始から抵抗が一桁落ちるまでの時間を寿命と定義した。寿命時間は長いほど好ましく、本実施例においては、寿命時間は30時間以上であることが好ましい。結果を表1に示す。
静電容量の温度特性
コンデンサの試料に対し、温度−25℃および85℃で静電容量を測定し、20℃での静電容量に対する−25℃および85℃での静電容量の変化率△C−25/C20、△C85/C20(単位は%)を算出した。各試料の85℃での静電容量の変化率△C85/C20を表1に示す。また、−25℃での静電容量の変化率△C−25/C20については、いずれの試料も±10%以内であった。
表1に、比表面積およびA/Bが異なるチタン酸バリウム原料粉末を使用したコンデンサ試料1〜18のチタン酸バリウム原料の粉体特性、チップ特性および電気特性を示した。また、図2にチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と焼成後の誘電体粒子の平均粒径との関係を示すグラフを、図3にチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と高温負荷寿命との関係を示すグラフを示した。
なお、A/Bの値が1.035を超えるチタン酸バリウム原料粉末を使用したコンデンサ試料については、焼結性の悪化が著しかっため、電気特性等の各種特性を測定できるような試料を得ることができなかった。
また、比表面積が50m/gを超えるチタン酸バリウム原料粉末使用したコンデンサ試料についても、製造時における原料粉末の分散が著しく困難であったため、電気特性等の各種特性を測定できるような試料を得ることができなかった。
表1および図2より、チタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値が増加すると、平均粒径が小さくなる傾向が確認された。また、A/Bの値が1.006以上である実施例の試料12〜16においては、いずれも平均粒径が0.2μm以下となり、微細な粒子が得られた。一方、A/Bの値が1.006未満である比較例の試料1〜11は、いずれも平均粒径が0.2μmより大きくなる結果となった。
表1および図3より、チタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値が増加すると、高温負荷寿命が、長くなっていく傾向が確認でき、A/Bの値が1.006以上である実施例の試料12〜16については、寿命時間がいずれも40時間を超え、良好な結果となった。一方、比較例の試料1〜11は、寿命時間がいずれも25時間以下であった。また、表1より明らかなように、特にA/Bの値が1.006以上となると、A/Bの値の変化に対する高温負荷寿命の向上効果が大きくなることが確認できる。
さらに、実施例の試料12〜16は、いずれもショート不良率が0%、比誘電率が1000以上と良好な結果となり、また、温度特性についても△C−25/C20、△C85/C20が±10%以内となり、B特性を満足する結果であった。
この結果より、ショート不良率が低く、良好な比誘電率および温度特性を有し、特に、優れた高温負荷寿命を有する積層セラミックコンデンサを得るためには、主成分原料のチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値を1.006≦A/B≦1.035とすることが望ましく、好ましくは1.006≦A/B≦1.020であることが確認できた。
主成分原料として比表面積が8m/g未満であるチタン酸バリウム原料粉末を使用した比較例の試料17および18は、A/Bの値が1.006≦A/B≦1.020であるにもかかわらず、平均粒径が0.2μmより大きくなり、高温負荷寿命が15時間以下となり、高温負荷寿命特性に劣る結果となった。この結果より、チタン酸バリウム原料粉末の比表面積は8〜50m/gであることが望ましいということが確認できた。
実施例2
副成分原料として、表2に示した各副成分原料を使用した以外は、実施例1と同様にして、積層セラミックコンデンサの試料19〜26を作製し、実施例1と同様に、誘電体層の厚み、ショート不良率、比誘電率、高温負荷寿命および静電容量の温度特性の測定を行った。また、コンデンサ試料19〜26を作製する際に使用したチタン酸バリウム原料粉末の比表面積およびA/Bの値についても、実施例1と同様に測定した。使用したチタン酸バリウム原料の粉体特性および副成分の種類および添加量、コンデンサ試料のチップ特性および電気特性を表2,3に示す。
表2,3より、いずれの試料もショート不良率が0%、比誘電率が1000以上と良好な結果であり、また、温度特性についても△C−25/C20、△C85/C20が±10%以内となり、B特性を満足する結果であった。この結果より、使用する副成分を表2に示す各化合物としても、本発明の効果が得られることが確認できた。
図1は本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの断面図である。 図2はチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と焼成後の誘電体粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。 図3はチタン酸バリウム原料粉末のA/Bの値と高温負荷寿命との関係を示すグラフである。
符号の説明
1… 積層セラミックコンデンサ
10… コンデンサ素子本体
2… 誘電体層
3… 内部電極層
4… 外部電極

Claims (12)

  1. 主成分原料および副成分原料を含有する誘電体原料を焼成する工程を有する誘電体磁器組成物の製造方法であって、
    前記副成分原料が、Mgの酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物および、MnおよびCrの少なくとも1種の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、それぞれ、主成分原料100モルに対して、MgO、MnO、Cr換算で、
    MgO:0.1〜3モル、
    MnO+Cr:0〜0.5モルであり、
    焼成する前の前記主成分原料が、ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造であるチタン酸バリウム原料粉末であって、Aサイト成分とBサイト成分の比A/Bがモル比で1.006≦A/B≦1.035、比表面積が8〜50m/gである原料粉末を用いることを特徴とする誘電体磁器組成物の製造方法。
  2. 前記副成分原料が、さらに、V、W、TaおよびNbから選ばれる1種または2種以上の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
    主成分原料100モルに対して、V、WO、Ta、Nb換算で、
    +WO+Ta+Nb:0〜0.5モル(ただし、0は含まず)である請求項1に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  3. 前記副成分原料が、さらに、R(ただし、Rは、Sc、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Dy、Ho、Tb、Gd、Euから選ばれる1種または2種以上)の酸化物および/または焼成後にRの酸化物になる化合物を含有し、
    主成分原料100モルに対して、R換算で、0〜5モル(ただし、0は含まず)である請求項1または2に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  4. 前記Rの酸化物および/または焼成後にRの酸化物になる化合物が、Y、DyおよびHoから選ばれる1種または2種以上の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物である請求項3に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  5. 前記副成分原料が、さらに、Siの酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
    主成分原料100モルに対して、SiO換算で、0.5〜12モルである請求項1〜4のいずれかに記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  6. 前記副成分原料が、さらに、Ba、SrおよびCaの少なくとも2種の酸化物および/または焼成後にこれらの酸化物になる化合物を含有し、
    主成分原料100モルに対して、BaO、SrO、CaO換算で、
    BaO+SrO+CaO:0.5〜12モルである請求項1〜5のいずれかに記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  7. 前記チタン酸バリウム原料粉末の前記Aサイトを構成する成分が、Ba、Sr、Caから選ばれる1種または2種以上を含有し、前記Bサイトを構成する成分がTiおよび/またはZrを含有する請求項1〜6のいずれかに記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載の方法で製造される誘電体磁器組成物。
  9. 前記誘電体磁器組成物を構成する焼成後の誘電体粒子の平均粒径が、0.2μm以下である請求項8に記載の誘電体磁器組成物。
  10. 請求項8または9に記載の誘電体磁器組成物で構成してある誘電体層を有する電子部品。
  11. 請求項8または9に記載の誘電体磁器組成物で構成してある誘電体層と、内部電極層とが交互に積層してあるコンデンサ素子本体を有する積層セラミックコンデンサ。
  12. 前記誘電体層の厚みが、4.5μm以下である請求項11に記載の積層セラミックコンデンサ。
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