JP2005289789A - 誘電体磁器組成物及びそれを用いた積層セラミック部品 - Google Patents

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卓史 梅本
Rintaro Aoyanagi
倫太郎 青▼柳▲
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Kenichiro Wakizaka
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Abstract

【課題】 ９００℃程度の低温の焼成でも焼結性を向上させることができ、かつ誘電特性の劣化を抑制することができる誘電体磁器組成物及びそれを用いた積層セラミック部品を提供する。
【解決手段】 誘電体材料とガラスを含む誘電体磁器組成物であって、上記誘電体材料は、組成式ａ・Ｌｉ2Ｏ−ｂ・（ＣａＯ1-x−ＳｒＯx）−ｃ・Ｒ2Ｏ3−ｄ・ＴｉＯ2（但し、ｘは０≦ｘ＜１を満足し、ＲはＬａ、Ｙを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種であり、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、０≦ａ≦２０ｍｏｌ％、０≦ｂ≦４５ｍｏｌ％、０＜ｃ≦２０ｍｏｌ％、４０≦ｄ≦８０ｍｏｌ％、及びａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００ｍｏｌ％を満足する。）で表される誘電体材料であり、上記ガラスはＢｉ2Ｏ3を３０重量％以上含有するガラスである誘電体磁器組成物。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層セラミック部品などに用いられる誘電体磁器組成物及びこれを用いた積層セラミック部品に関するものである。
近年、電子部品の小型化・薄型化に伴い、積層セラミック部品に対するニーズが急速に高まってきている。積層セラミック部品の代表的な例としては、Ａｇなどの導電材料と同時に焼成可能な低温焼成材料（ＬＴＣＣ）を用い、各層にインダクタやコンデンサの回路を形成したものが挙げられる。この積層セラミック部品に使用される低温焼成材料としては、アルミナ等のセラミックフィラーとガラスを混合した誘電体磁器組成物が使用されるのが一般的である。しかし、このような組成物では誘電率が１０以下と低く、ＬＣフィルターに適用するには誘電特性が不十分であった。
ＬＣフィルターに適用するためには、高誘電率で誘電損失が少なく、かつ温度係数τｆが０に近いことが要求される。これらの特性を満たす誘電体磁器組成物として、特許文献１には、Ｌｉ2Ｏ−ＣａＯ−Ｓｍ2Ｏ3−ＴｉＯ2の組成を有する誘電体磁器組成物が開示されている。
また、特許文献２には、（Ｌｉ0.5（Ｎｄ，Ｓｍ）0.5）ＴｉＯ3−（Ｃａ1-xＮｄ2x/3）ＴｉＯ3に、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスフリット及びＬｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスフリットのいずれか１つのガラスフリットを３〜１５重量％含む誘電体磁器組成物が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示された誘電体磁器組成物は、１３００℃程度の高温で焼成されており、そのままの組成では、９００℃程度の低温で焼成する積層セラミック部品に適用することが困難であった。
また、特許文献２に開示された誘電体磁器組成物において、９００℃程度の低温での焼結性を向上させるためには、ガラスの添加量を増やさなければならなかった。ガラスの添加量を増やすと誘電特性が劣化するという問題があった。
特開平５−２１１００７号公報 特開２００３−１４６７４２号公報
本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解消し、９００℃程度の低温の焼成でも焼結性を向上させることができ、かつ誘電特性の劣化を抑制することができる誘電体磁器組成物及びそれを用いた積層セラミック部品を提供することにある。
本発明は、誘電体材料とガラスを含む誘電体磁器組成物であって、誘電体材料が、組成式ａ・Ｌｉ2Ｏ−ｂ・（ＣａＯ1-x−ＳｒＯx）−ｃ・Ｒ2Ｏ3−ｄ・ＴｉＯ2（但し、ｘは０≦ｘ＜１を満足し、ＲはＬａ、Ｙを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種であり、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、０≦ａ≦２０ｍｏｌ％、０≦ｂ≦４５ｍｏｌ％、０＜ｃ≦２０ｍｏｌ％、４０≦ｄ≦８０ｍｏｌ％、及びａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００ｍｏｌ％を満足する。）で表される誘電体材料であり、ガラスがＢｉ2Ｏ3を３０重量％以上含有するガラスであることを特徴としている。
本発明において用いるＢｉ2Ｏ3系ガラス（Ｂｉ2Ｏ3を３０重量％以上含有するガラス）は軟化点及び融点が低く、９００℃程度の焼成工程においては、粘度の低い液相となっている。このため、本発明によれば、この粘度の低い液相により緻密化することができ、誘電体材料の焼結を促進させることができるので、低温での焼結性を向上させることができる。
本発明におけるＢｉ2Ｏ3系ガラスにおけるＢｉ2Ｏ3の含有量は、上述のように、３０重量％以上であるが、さらに好ましくは５０重量％以上である。Ｂｉ2Ｏ3の含有量が少ないと、焼結性を向上させて、誘電率を高めるという本発明の効果が十分に得られない場合がある。
本発明に用いるＢｉ2Ｏ3系ガラスは、さらにＢ2Ｏ3を含んでいることが好ましい。Ｂ2Ｏ3の含有量としては、好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは１０〜４０重量％である。
本発明における誘電体材料は、上記組成式で表されるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、特許文献１に記載されているものを好ましく用いることができる。誘電体材料は、一般に原料を混合しこれを仮焼成することにより作製される。仮焼成の温度は７００〜１２００℃の範囲内であることが好ましく、仮焼成時間は１〜５時間であることが好ましい。
上記組成式において、ＲがＮｄ（ネオジム）である誘電体材料を用いることにより、特に焼結性を向上させ、誘電率を高めることができる。
本発明の誘電体磁器組成物は、ＳｉＯ2及びＢ2Ｏ3を主成分とするボロシリケート系ガラスをさらに含んでいてもよい。ボロシリケート系ガラスを含むことにより、誘電損失の低減が抑制されるなど誘電特性の制御が容易となる。
本発明の誘電体磁器組成物において、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの含有量は１〜１０重量％であることが好ましい。Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの含有量が１重量％未満の場合には、９００℃程度の焼成において、誘電体磁器組成物の焼結性を向上させることができない場合がある。また、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの含有量が１０重量％を超える場合には、誘電体磁器組成物の誘電特性が劣化する場合がある。
また、ボロシリケート系ガラスを用いる場合、誘電体磁器組成物中におけるＢｉ2Ｏ3系ガラスとボロシリケート系ガラスの合計の含有量は１〜１０重量％であることが好ましい。この場合、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの含有量を１〜５重量％の範囲内とし、ボロシリケート系ガラスの含有量を１〜５重量％の範囲内とすることが好ましい。
また、本発明の誘電体磁器組成物は、Ｂ2Ｏ3及びＣｕＯのうち少なくとも一方を焼結助剤としてさらに含んでいてもよい。誘電体磁器組成物中におけるＢ2Ｏ3の含有量は１５重量％以下が好ましく、ＣｕＯの含有量は５重量％以下が好ましい。誘電体磁器組成物に対するＢ2Ｏ3含有量が１５重量％を超える場合、またはＣｕＯの含有量が５重量％を超える場合には、誘電体磁器組成物の誘電特性が劣化する場合がある。
本発明の積層セラミック部品は、上記本発明の誘電体磁器組成物を含むスラリーを成形して得られた誘電体層と導体層とが積層して得られることを特徴とする。
図１は、本発明の積層セラミック部品を示す斜視図であり、図２は分解斜視図である。図１及び図２に示すように、誘電体層１の上には、導体層２が形成されている。また、誘電体層１によっては、ヴィアホール３が形成されている誘電体層もある。このような誘電体層を複数枚積層することにより、積層セラミック部品が構成されている。
本発明によれば、９００℃程度の低温の焼成でも焼結性を向上させることができ、かつ誘電特性の劣化を抑制することができる誘電体磁器組成物とすることができる。
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能なものである。
〔実施例１〕
誘電体材料（Ａ）を以下のようにして調製した。
（Ａ）Ｌｉ2Ｏ（９ｍｏｌ％）−ＣａＯ（１５ｍｏｌ％）−ＳｒＯ（１ｍｏｌ％）−Ｓ
ｍ2Ｏ3（１２ｍｏｌ％）−ＴｉＯ2（６３ｍｏｌ％）
上記の組成割合となるようにＬｉ2ＣＯ3、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、Ｓｍ2Ｏ3及びＴｉＯ2を秤量し、混合した。この混合物に対し、イソプロパノールを加え、ジルコニア製ポット及びボールからなるボールミルを用いて２４時間湿式混合を行った。ボールミルを用いて湿式混合を行なった後、混合物を７００℃で２時間仮焼成することにより、誘電体材料（Ａ）が得られた。
次に、得られた誘電体材料（Ａ）とＢｉ2Ｏ3系ガラスを用いて誘電体磁器組成物を調製した。Ｂｉ2Ｏ3系ガラスとしては、以下の（Ｇ１）〜（Ｇ３）で示す組成のものを用いた。
（Ｇ１）Ｂｉ2Ｏ3（５５重量％）−Ｂ2Ｏ3（３５重量％）−ＺｎＯ（１０重量％）、軟化点：約５２０℃
（Ｇ２）Ｂｉ2Ｏ3（７５重量％）−Ｂ2Ｏ3（１５重量％）−ＺｎＯ（１０重量％）、軟化点：約４７０℃
（Ｇ３）Ｂｉ2Ｏ3（６０重量％）−Ｂ2Ｏ3（２５重量％）−ＺｎＯ（５重量％）−ＳｉＯ2（１０重量％）、軟化点：約５４０℃
表１に示すように、誘電体材料（Ａ）と、Ｂｉ2Ｏ3系ガラス（Ｇ１）〜（Ｇ３）の内の１種と、必要に応じてＢ2Ｏ3などの焼結助剤とを混合し、再びボールミルを用いて２０時間粉砕した。
次に、粉砕して得られた混合物に、ポリビニルアルコールなどのバインダーを加えて造粒し分級した後、２０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力を加えて、所定の大きさ及び形状に成型した。この成型物を５００℃にて２時間脱バインダー処理した後、９００℃にて５時間焼成した。
得られた各試料（実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９）について誘電体共振器法（ハッキー・コールマン法）により、誘電率及びＱｆ値を測定した。また、焼成前後の寸法により収縮率を求めた。
〔比較例１〕
実施例１において、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの代わりに、以下の（Ｇ４）〜（Ｇ８）に示す軟化点の異なるボロシリケート系のガラスを用いた以外は、実施例１と同様にして誘電体磁器組成物を調製した。
（Ｇ４）奥野製薬社製「Ｇ３−３９５０」、軟化点：６１０℃
（Ｇ５）日本電気硝子社製「ＧＡ−４」、軟化点：６３０℃
（Ｇ６）日本電気硝子社製「ＧＡ−１２」、軟化点：５６０℃
（Ｇ７）日本電気硝子社製「ＧＡ−４７」、軟化点：８７０℃
（Ｇ８）日本電気硝子社製「ＧＡ−５０」、軟化点：８３０℃
得られた各試料（比較例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）について上記実施例１と同様の方法により、収縮率、誘電率及びＱｆ値を測定した。
実施例１及び比較例１の各試料についての測定結果を表１に示す。
表１に示すように、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスを用いた実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスの添加量が１〜５重量％と少量にもかかわらず、収縮率が大きくなっており、高い焼結性を示している。
焼結性が向上する理由として、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスは、Ｂｉ2Ｏ3を含有しないガラスと比較して、軟化点及び融点が低く、９００℃付近での粘度が低いので、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスにより焼成物の緻密化が促進されるためであると考えられる。
また、誘電体磁器組成物に焼結助剤としてＢ2Ｏ3を含んでいる試料（例えば実施例Ｎｏ．６〜Ｎｏ．８）は、Ｂ2Ｏ3を含んでいない試料（例えば実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）と比較して、焼結性が向上しており、かつ誘電率も高くなっている。従って、Ｂ2Ｏ3等の焼結助剤を用いることにより、焼結性を向上させ、誘電率を高められることがわかる。
〔実施例２〕
ガラス成分として、Ｂｉ2Ｏ3系ガラスとボロシリケート系ガラスを併用した。
誘電体材料としては、実施例１における誘電体材料（Ａ）を用い、表２に示す配合割合で、Ｂｉ2Ｏ3系ガラス（Ｇ２）とボロシリケート系ガラス（Ｇ６）を併用して、実施例１と同様にして誘電体磁器組成物を調製した。
得られた試料（実施例Ｎｏ．１０〜１３）について、実施例１と同様にして、収縮率、誘電率及びＱｆ値を測定した。測定結果を表２に示す。
表２に示す結果から明らかなように、ガラス成分としてＢｉ2Ｏ3系ガラスに、ボロシリケート系ガラスを併用することにより、Ｑｆが向上しており、誘電損失が低減していることがわかる。
〔実施例３〕
実施例１において、誘電体材料（Ａ）の代わりに以下のＬｉ2Ｏを含まない誘電体材料（Ｂ）を用いた以外は、実施例１と同様にして誘電体磁器組成物を調製した。
（Ｂ）ＣａＯ（２４ｍｏｌ％）−ＳｒＯ（１ｍｏｌ％）−Ｓｍ2Ｏ3（１２ｍｏｌ％）−ＴｉＯ2（６３ｍｏｌ％）
得られた試料（実施例Ｎｏ．１４）について、実施例１と同様の方法により、収縮率、誘電率及びＱｆ値を測定した。測定結果を表３に示す。
表３に示すように、Ｌｉ2Ｏを含有しない誘電体材料を用いた実施例Ｎｏ．１４においても、実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３と同様に、高い焼結性が得られていることがわかる。
〔実施例４〕
表４、表５及び表６に示すＬｉ2Ｏ−ＣａＯ−ＳｒＯ−Ｎｄ2Ｏ3−ＴｉＯ2の組成（モル比）となるように、Ｌｉ2ＣＯ3、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、Ｎｄ2Ｏ3及びＴｉＯ2を秤量し、混合した。この混合物に対し、イソプロパノールを加え、ジルコニア製ポット及びボールからなるボールミルを用いて２４時間湿式混合を行った。ボールミルを用いて湿式混合を行なった後、混合物を１２００℃で２時間仮焼成することにより、各誘電体材料を得た。
次に、得られた各誘電体材料に、Ｂｉ2Ｏ3系ガラス（Ｇ２）と、ボロシリケート系ガラス（Ｇ６）とを、各表に示す割合となるように添加して混合し、再びボールミルを用いて２０時間粉砕した。
次に、粉砕して得られた混合物に、ポリビニルアルコールなどのバインダーを加えて造粒し分級した後、２０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力を加えて、所定の大きさ及び形状に成型した。この成型物を５００℃にて２時間脱バインダー処理した後、９００℃にて２時間焼成した。
得られた各試料（実施例Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．２６について、誘電体共振器法（ハッキー・コールマン法）により、誘電率及びＱｆ値を測定した。また、焼成前後の寸法により収縮率を求めた。これらの測定結果を表４〜表６に示す。
表４〜表６に示すように、希土類元素としてＮｄを用いたいずれの試料においても、優れた焼結性及び誘電特性が得られた。これは、Ｎｄが、Ｓｍ（サマリウム）に比べてイオン半径が大きく格子定数が増大することに伴い、誘電率が向上したものと推察される。また、焼結性も向上していることから焼結温度の低下についても寄与しているものと考えられる。また、焼結後の試料の結晶相をＸ線回折により評価した結果、希土類元素がＳｍの時には認められたＳｍ−Ｔｉからなる第２相のピークが認められなかった。この結果、高いＱｆ値を維持したものと考えられる。
〔実施例５〕
本発明の積層セラミック部品は、上述のように、本発明の誘電体磁器組成物からなる誘電体層と、この誘電体層の表面に形成される導体層から構成される誘電体グリーンシートを積層し、これを焼成することにより得ることができる。例えば、上記実施例と同様にして得られた誘電体材料に、Ｂｉ2Ｏ3系ガラス及び必要に応じて他の添加剤を添加し、これをボールミルにて混合し、得られた混合物に、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）系バインダーを添加し、添加後これをボールミルで混合してスラリーを作製する。次に、得られたスラリーを、ドクターブレード装置を用いてシート厚み５０〜１００μｍのシート状に成形する。得られたシートを所望の大きさに切断し、Ａｇペーストを所望のパターンに印刷して、誘電体グリーンシートとする。この誘電体グリーンシートを、図１及び図２に示すように、８〜２０層積層し、圧着した後、４００℃で脱バインダー処理し、次に９００℃で２時間保持して焼成し、積層セラミック部品とすることができる。
本発明の積層セラミック部品の一例を示す斜視図。 本発明の積層セラミック部品の一例を示す分解斜視図。
符号の説明
１…誘電体層
２…導体層
３…ヴィアホール

Claims (9)

  1. 誘電体材料とガラスを含む誘電体磁器組成物であって、
    前記誘電体材料は、組成式ａ・Ｌｉ2Ｏ−ｂ・（ＣａＯ1-x−ＳｒＯx）−ｃ・Ｒ2Ｏ3−ｄ・ＴｉＯ2（但し、ｘは０≦ｘ＜１を満足し、ＲはＬａ、Ｙを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種であり、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、０≦ａ≦２０ｍｏｌ％、０≦ｂ≦４５ｍｏｌ％、０＜ｃ≦２０ｍｏｌ％、４０≦ｄ≦８０ｍｏｌ％、及びａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００ｍｏｌ％を満足する。）で表される誘電体材料であり、前記ガラスはＢｉ2Ｏ3を３０重量％以上含有するガラスであることを特徴とする誘電体磁器組成物。
  2. 前記ガラスはＢ2Ｏ3をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の誘電体磁器組成物。
  3. 前記ガラスを１〜１０重量％含むことを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体磁器組成物。
  4. ＳｉＯ2及びＢ2Ｏ3を主成分とするボロシリケート系ガラスをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体磁器組成物。
  5. 前記ガラスと前記ボロシリケート系ガラスを合計で１〜１０重量％含むことを特徴とする請求項４に記載の誘電体磁器組成物。
  6. １５重量％以下のＢ2Ｏ3及び５重量％以下のＣｕＯのうち少なくとも一方を焼結助剤としてさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘電体磁器組成物。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘電体磁器組成物を含むスラリーを成形して得られる誘電体層と導体層とを積層して得られることを特徴とする積層セラミック部品。
  8. 前記組成式におけるＲがＮｄであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘電体磁器組成物。
  9. 請求項８に記載の誘電体磁器組成物を含むスラリーを成形して得られる誘電体層と導体層とを積層して得られることを特徴とする積層セラミック部品。
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