JP2006310618A - セラミック電子部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属端子が端子電極に接合されている部分の耐熱性及び耐熱衝撃性に優れたセラミック電子部品を提供する。
【解決手段】 セラミック焼結体２の対向し合っている第１，第２の端面２ａ，２ｂに第１，第２の端子電極７，８が形成されており、第１，第２の端子電極７，８に対して、第１，第２の金属端子９，１０がＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属を溶射することにより形成されている溶射金属層１１，１２により接合されている、積層セラミック電子部品。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対向し合う一対の端面に端子電極が形成されており、該端子電極に金属端子が接合されているセラミック電子部品及びその製造方法に関し、より詳細には、端子電極に対する金属端子の接合構造及び接合方法が改良されたセラミック電子部品及びその製造方法に関する。

従来、金属端子を有するセラミック電子部品が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図５に示すセラミック電子部品が開示されている。

図５に示すように、セラミック電子部品１０１は、セラミック焼結体からなる複数のセラミック電子部品素子１０２が積層された積層体１０３を有する。積層体１０３の一方の端面に外部電極１０４が、他方の端面に外部電極１０５が形成されている。外部電極１０４，１０５は、スパッタリングなどの薄膜形成法により形成されている。外部電極１０４，１０５の厚みが薄いため、セラミック電子部品１０１では、電流容量を確保するために、厚い金属板からなる金属端子１０６，１０７が半田からなる接合材により接合されている。

また、下記の特許文献２にも、セラミック焼結体の端面に設けられた外部電極に、金属端子を半田により接合してなるセラミック電子部品が開示されている。
特開２０００−２２３３５５号公報 特開２０００−１２４０６３号公報

セラミック電子部品１０１のように、電流容量を確保するために、金属板からなる金属端子１０６，１０７が半田によりセラミック焼結体端面の外部電極１０４，１０５に電気的に接続されているセラミック電子部品が種々提案されている。

しかしながら、半田は塑性変形し易く、また、その線膨張係数はセラミックスの２倍程度であり、線膨張係数がセラミックスの線膨張係数とかなり異なっている。また、半田により外部電極や端子電極と金属板からなる金属端子と接合した場合、金属間化合物が生じやすかった。これらの理由により、半田による接合部分は、熱衝撃に弱かった。そのため、セラミック電子部品１０１のようなセラミック電子部品をヒートサイクル試験に供した場合、半田からなる接合部にクラックが入ったり、金属端子とセラミック焼結体端面の外部電極との間の接合強度が著しく低下しがちであった。

また、金属端子を有するセラミック電子部品は、電子機器のプリント回路基板などにリフロー半田付け法により実装されることがある。この場合、リフロー半田付けに際しての加熱温度が高すぎると、半田による接合部分が再溶融し、金属端子がセラミック焼結体から分離し、落下することがあった。

本発明の目的は、金属端子がセラミック焼結体端面の端面電極に接合されており、該接合部分が耐熱衝撃性及び耐熱性に優れている、セラミック電子部品及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係るセラミック電子部品は、対向し合う第１，第２の端面を有するセラミック焼結体と、前記セラミック焼結体の第１，第２の端面に形成された第１，第２の端子電極と、前記第１，第２の端子電極に接合された第１，第２の金属端子と、第１，第２の金属端子を前記第１，第２の端子電極に接合しており、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属からなる溶射金属層を備えることを特徴とする。

本発明に係るセラミック電子部品のある特定の局面では、前記第１，第２の金属端子の第１，第２の端子電極と対向している第１，第２の金属端子内面と、第１，第２の端子電極との間に隙間が形成されるように、前記溶射金属層により第１，第２の端子電極が前記第１，第２の金属端子に接続されている。

本発明に係るセラミック電子部品の他の特定の局面では、前記第１，第２の端子電極の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなり、前記第１，第２の金属端子の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなる。

本発明に係るセラミック電子部品のさらに別の特定の局面では、前記セラミック焼結体内に、複数の内部電極がセラミック層を介して重なり合うように配置されており、それによって積層セラミック電子部品が構成されている。

本発明に係るセラミック電子部品の製造方法は、対向し合う第１，第２の端面に第１，第２の端子電極がそれぞれ形成されているセラミック焼結体を用意する工程と、前記セラミック焼結体の第１，第２の端子電極の外側面に、第１，第２の金属端子を当接させた状態で、前記第１，第２の金属端子の前記第１，第２の端子電極と反対側の面である外側の面側から金属を溶射することにより、第１，第２の金属端子を第１，第２の端子電極に接合する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係るセラミック電子部品では、第１，第２の金属端子が、セラミック焼結体の第１，第２の端面に形成された第１，第２の端子電極に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属からなる溶射金属層により接合されている。従って、溶射金属層は、半田による接合部分に比べて、耐熱衝撃性及び耐熱性に優れているため、接合部分の耐熱衝撃性及び耐熱性に優れたセラミック電子部品を提供することができる。

よって、本発明に係るセラミック電子部品では、ヒートサイクル試験に供された場合に、接合部分における剥離やクラックが生じ難く、またプリント回路基板などにリフロー半田付け法により半田付けされた場合に、金属端子が端子電極から分離し、落下するおそれもない。

上記第１，第２の金属端子の第１，第２の端子電極と対向している第１，第２の金属端子内面と、第１，第２の端子電極との間に隙間が形成されるように、溶射金属層により第１，第２の端子電極が第１，第２の金属端子により接合されている場合には、プリント回路基板などから金属端子を経てセラミック焼結体に加わる衝撃等に起因する応力が、緩和される。それによって、セラミック焼結体における損傷を抑制することができる。すなわち、熱衝撃により、プリント回路基板などが膨張したり、収縮したりした場合、金属端子がセラミック焼結体に広い面積にわたり接合されていると、膨張または収縮による応力が金属端子を経てセラミック焼結体に直接加えられることになる。これに対して、金属端子内面と第１，第２の端子電極との間に隙間が形成されている場合には、第１，第２の金属端子が第１，第２の端子電極と直接接合されている部分にのみ応力が伝わり、上記隙間が形成されている部分においては応力が伝わり難い。従って、上記応力によるセラミック焼結体の損傷が生じ難い。

本発明において、第１，第２の端子電極や第１，第２の金属端子を構成する金属材料は特に限定されないが、第１，第２の端子電極の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなり、第１，第２の金属端子の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなる場合には、上記材料からなる溶射金属層により第１，第２の端子電極と第１，第２の金属端子と凝固に接合することができる。

セラミック焼結体内に複数の内部電極がセラミック層を介して重なり合うように配置されている場合には、本発明に従って、耐熱衝撃性及び耐熱性に優れた接合部分を有する積層セラミック電子部品を提供することができる。

本発明に係るセラミック電子部品の製造方法では、セラミック焼結体の第１，第２の端面に形成された第１，第２の端子電極表面に、第１，第２の金属端子を当接させた状態で、第１，第２の金属端子の第１，第２の端子電極と反対側の面である外側の面側から、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属を溶射することにより、第１，第２の金属端子が第１，第２の端子電極に接合される。このようにして溶射した場合、第１，第２の金属端子が、第１，第２の端子電極に上記導電性金属からなる溶射金属層により接合されることになる。よって、本発明に従って、耐熱衝撃性及び耐熱性に優れたセラミック電子部品を提供することができる。

また、上記のようにして導電性金属を溶射した場合、導電性金属が溶射される方向とは反対側の金属端子面、すなわち、第１，第２の金属端子の第１，第２の端子電極と対向している内面と、第１，第２の端子電極との間には、必然的に隙間が形成される。そのため、熱衝撃が加わった際に、プリント回路基板から伝わる応力が金属端子を得てセラミック焼結体に加わり難い。従って、上記応力によるセラミック焼結体の損傷が生じ難い。

以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係るセラミック電子部品としての積層セラミックコンデンサを示す正面断面図である。積層セラミックコンデンサ１は、セラミック焼結体２を有する。セラミック焼結体２は、チタン酸バリウム系セラミックスなどの適宜の絶縁性もしくは誘電性セラミックスにより構成され得る。

セラミック焼結体２内には、複数の内部電極３〜６がセラミックスを介して重なり合うように配置されている。内部電極３，５がセラミック焼結体２の第１の端面２ａに引き出されている。内部電極４，６がセラミック焼結体２の第１の端面２ａと反対側の第２の端面２ｂに引き出されている。

上記内部電極３〜６は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｇ−Ｐｄ合金など適宜の金属もしくは合金により形成されている。

上記内部電極３〜６を有するセラミック焼結体２は、周知の積層セラミックコンデンサの製造方法に従って得ることができる。

上記セラミック焼結体２の第１，第２の端面２ａ，２ｂを覆うように、第１，第２の端子電極７，８が形成されている。第１，第２の端子電極７，８は、適宜の金属もしくは合金により形成され得るが、本実施形態では、最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金により形成されている。なお、端子電極７，８は、単一の金属材料により構成されていてもよく、複数の金属材料層を積層した構造を有していてもよい。いずれにしても、最外層が上記金属もしくは合金により構成されていることが望ましい。

また、上記第１，第２の端子電極７，８は、導電性ペーストの塗布・焼き付け、メッキもしくはスパッタリングなどの適宜の電極形成方法により形成され得る。第１，第２の端子電極７，８が、複数の金属層を積層した構造を有する場合、各金属層は、上記各種金属形成方法を用いて形成すればよく、複数の金属層は異なる電極形成方法により形成されていてもよい。

図１に示すように、第１，第２の端子電極７，８に、第１，第２の金属端子９，１０が溶射金属層１１，１２により接合されている。第１，第２の金属端子９，１０は、それぞれ、第１，第２の端子電極７，８の第１，第２の端面２ａ，２ｂ上の部分と対向するように配置されている対向部９ａ，９ｂと、対向部９ａ，９ｂの外側端からセラミック焼結体２側に折り曲げられた実装部９ｂ，１０ｂ都を有する。なお、実装部９ｂ，１０ｂは、セラミック焼結体２の下面２ｃと平行に延ばされている。また、実装部９ｂと実装部１０ｂとは同じ高さ位置に形成されている。従って、実装部９ｂ，１０ｂを利用してプリント回路基板上の電極ランドなどに容易に面実装することができる。

また、対向部９ａ，９ｂの内面、すなわち、第１，第２の端子電極７，８と対向している面と、第１，第２の端子電極７，８との間には、隙間Ａが設けられている。隙間Ａが設けられているため、プリント回路基板に実装された際に、プリント回路基板が加熱もしくは冷却により膨張もしくは収縮したとしても、該膨張・収縮に基づく応力は、セラミック焼結体２に加わり難い。すなわち、隙間Ａが設けられているため、金属端子９，１０に上記応力が伝搬してきたとしても、金属端子９，１０からセラミック焼結体２には、溶射金属層１１，１２を介して接合されている部分においてのみ応力が伝わることになり、隙間Ａが設けられている部分では上記応力は伝達されない。従って、セラミック焼結体２が上記応力によって損傷を受け難い。

また、本実施形態の積層セラミックコンデンサ１では、上記溶射金属層１１，１２が、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属を溶射することにより形成されているため、耐熱性及び耐熱衝撃性に優れている。よって、例えば積層セラミックコンデンサ１を、ヒートサイクル試験に供した場合に、熱衝撃によるクラック等が接合部分に生じ難く、またリフロー半田付け法によりプリント回路基板に実装された際の熱により、溶射金属層１１，１２が溶融しないため、金属端子９，１０の端子電極７，８からの分離や落下も生じ難い。

よって、本発明によれば、耐熱性及び耐熱衝撃性に優れた積層セラミックコンデンサ１を提供することができる。

なお、溶射金属層を構成する導電性金属は、上記のように、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属であればよく、それによって上記のように耐熱性及び耐熱衝撃性に優れた接合部分が構成され得る。そして、第１，第２の端子電極７，８は好ましくは、最外層が上記のようにＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなり、第１，第２の金属端子９，１０の最外層は上記のように好ましくは、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなる。第１，第２の端子電極７，８及び第１，第２の金属端子９，１０が上記好ましい材料からなる場合、上記溶射金属層１１，１２により、金属端子９，１０が端子電極７，８に強固に接合され得る。

上記溶射金属層１１，１２により金属端子９，１０を端子電極７，８を接合する工程は、以下のようにして行われる。すなわち、図２及び図３に示すように、第１の端面２ａ側において、端子電極７に金属端子９の対向部９ａの内面を当接させる。この状態で、矢印Ｂで示すように対向部９ａの外側面、すなわち、金属端子９の端子電極７と対向している面と反対側の面から溶射装置１３により導電性金属を溶射する。次に、金属端子１０の端子電極８と対向している面と反対側の面である外側面から同様にして導電性金属を溶射すればよい。

上記のようにして溶射を行った場合、金属端子９，１０の対向部９ａ，１０ａの内面と、端子電極７，８の端面２ａ，２ｂ上に位置している部分の外側面との間には、必然的に数１０μｍ〜数１００μｍ程度の厚みの隙間Ａが形成される。この理由は、隙間を設けることでヒートサイクル時に金属端子より生じる応力をセラミック焼結体に加えないことである。この隙間を設けることでセラミック焼結体にクラックなどの不具合が生じないことによる。上記溶射方法を用いることにより、図１に示した隙間Ａが設けられている接合部分を容易に形成することができ、それによってプリント回路基板等における膨張・収縮による応力に起因するセラミック焼結体２の損傷が生じ難い実施形態の積層セラミックコンデンサ１を容易に提供することができる。

次に、具体的な実験例につき説明する。

チタン酸バリウム系セラミックスからなり、５．７×５．０×厚み２．０ｍｍの寸法のセラミック焼結体２であって、内部にＮｉペーストを焼き付けることにより形成された４０層の内部電極３〜６が形成されているセラミック焼結体２を用意した。

上記セラミック焼結体２の端面２ａ，２ｂにガラス成分を含むＣｕペーストを塗布し、焼き付けることにより、第１，第２の端子電極７，８を形成した。

しかる後、第１，第２の端子電極７，８に、りん青銅に、Ｎｉメッキ層及びＡｇメッキ層をそれぞれ、３〜５μｍ及び３〜５μｍの厚みにメッキしてなる金属板２からなる第１，第２の金属端子９，１０を用意した。この金属端子９，１０の対向部９ａ，１０ａを、端子電極７，８の端面２ａ，２ｂ上に位置している部分にそれぞれ当接させた状態で、金属端子９，１０の対向部９ａ，１０ａの外側面からＣｕをプラズマ溶射し、溶射金属層１１，１２を形成した。上記のようにして、実施例１の積層セラミックコンデンサを作製した。

また、金属端子９，１０を、リン青銅板からなり、メッキ膜が表面に形成されていないものを用いたことを除いては、上記実施例１と同様にして実施例２の積層セラミックコンデンサを作製した。

また、比較のために、実施例１で用意したセラミック焼結体に第１，第２の端子電極７，８を形成した後に、実施例１で用意した金属端子９，１０を半田を用いて接合し、従来例の積層セラミックコンデンサを作製した。

上記のようにして用意した実施例１，２及び従来例の積層セラミックコンデンサについて、以下の容量でヒートサイクル試験を行った。また、上記実施例１，２及び比較例の積層セラミックコンデンサについて、プリント回路基板上のＣｕ＋Ｓｎメッキからなる電極ランド上にリフロー半田付け法により実装し、その際の積層セラミックコンデンサの脱落の有無を評価した。なお、リフロー半田に際しては、加熱温度及び時間は、２４０℃、３０〜４０秒間、中性雰囲気とした。

結果を下記の表１〜表３に示す。

ヒートサイクル試験：積層セラミックコンデンサを−４０℃の温度に３０分間維持し、しかる後３０℃／分の昇温速度で、１２５℃の温度まで昇温し、１２５℃の温度に３０分間維持するサイクルを１サイクルとし、積層セラミックコンデンサにヒートサイクルを加えた。そして、ヒートサイクル試験後の第１，第２の端子電極７，８と第１，第２の金属端子９，１０の接合部分におけるクラックの有無を観察した。下記の表１に、クラック発生率を示した。また、ヒートサイクル試験後に、金属端子９，１０の引っ張り強度を測定した。測定された引っ張り強度を下記の表２に示す。

なお、表１，表２の結果は、実施例１，２及び従来例の各積層セラミックコンデンサ２０個についての評価結果の平均値である。

表１及び表２から明らかなように、１２５０サイクルのヒートサイクル試験を行った場合、従来例の積層セラミックコンデンサでは、クラックが１００％の割合で発生していたのに対し、実施例１，２の積層セラミックコンデンサではクラックの発生は皆無であった。

また、表２から明らかなように、ヒートサイクル試験において、ヒートサイクルが増加するにつれて、金属端子の引っ張り強度が従来例の積層セラミックコンデンサでは著しく低下したのに対し、実施例１，２の積層セラミックコンデンサでは、金属端子の引っ張り強度はほとんど低下していないことがわかる。

さらに、表３から明らかなように、リフロー半田付け法により積層セラミックコンデンサをプリント回路基板に実装した際に、従来例の積層セラミックコンデンサでは、リフロー半田付け法の温度が２４０℃と高かったためか、２０％の割合で生じたのに対し、実施例１，２の積層セラミックコンデンサでは、脱落は認められなかった。

よって、上記実施例１，２の結果と、従来例の結果とを比較すれば明らかなように、上記実施例１，２では、接合部分の耐熱性及び耐熱衝撃性が著しく高められていることがわかる。

なお、上記実施形態では、金属端子９，１０と、第１，第２の端子電極７，８の間に隙間Ａが形成されており、それによって応力によるセラミック焼結体２の損傷が生じ難くされていた。しかしながら、本発明においては、溶射金属層１１，１２の形成後、上記とは異なる方向から導電性金属を溶射して形成してもよく、その場合には、場合によっては図４に示すように、第１，第２の金属端子９，１０と、第１，第２の端子電極７，８との間に隙間Ａが形成されずに、溶射金属層１１Ａ，１２Ａにより第１，第２の金属端子９，１０が第１，第２の端子電極７，８に接合されることもある。この場合、上記外部からの応力によるセラミック焼結体２の損傷は生じ易くなるかもしれないが、本発明に従って、耐熱性及び耐熱衝撃性に優れた接合部分を形成することができる。

また、上記実施形態では、積層セラミックコンデンサにつき説明したが、本発明のセラミック電子部品は、積層セラミックコンデンサに限らず、セラミック多層基板、積層圧電共振素子などの様々な積層セラミック電子部品、あるいは積層セラミック電子部品以外のセラミック電子部品に広く適用することができる。

本発明の一実施形態に係る積層セラミック電子部品としての積層セラミックコンデンサの正面断面図。 図１に示した積層セラミックコンデンサを製造するに際し、金属端子を端子電極に溶射により接合する工程を説明するための部分切欠斜視図。 図１に示した積層セラミックコンデンサを製造するに際し、金属端子を端子電極に溶射により接合する工程を説明するための略図的正面断面図。 本発明の変形例に係る積層セラミックコンデンサの正面断面図。 従来の積層セラミックコンデンサの一例を示す斜視図。

符号の説明

１…積層セラミックコンデンサ
２…セラミック焼結体概要
２ａ，２ｂ…第１，第２の端面
２ｃ…下面
３〜６…内部電極
７，８…第１，第２の端子電極
９，１０…第１，第２の金属端子
９ａ，１０ａ…対向部
９ｂ，１０ｂ…実装部
１１，１２…溶射金属層
１１Ａ，１２Ａ…溶射金属層
１３…溶射装置
Ａ…隙間

Claims (5)

1. 対向し合う第１，第２の端面を有するセラミック焼結体と、
   前記セラミック焼結体の第１，第２の端面に形成された第１，第２の端子電極と、
   前記第１，第２の端子電極に接合された第１，第２の金属端子と、
   第１，第２の金属端子を前記第１，第２の端子電極に接合しており、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種の導電性金属からなる溶射金属層を備えることを特徴とする、セラミック電子部品。
2. 前記第１，第２の金属端子の第１，第２の端子電極と対向している第１，第２の金属端子内面と第１，第２の端子電極との間に隙間が形成されるように、前記溶射金属層により第１，第２の端子電極が前記第１，第２の金属端子に接続されている、請求項１に記載のセラミック電子部品。
3. 前記第１，第２の端子電極の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなり、前記第１，第２の金属端子の最外層がＣｕ、Ａｇ、ＡｕもしくはＮｉまたはこれらを主成分とする合金からなる、請求項１または２に記載のセラミック電子部品。
4. 前記セラミック焼結体内に、複数の内部電極がセラミック層を介して重なり合うように配置されており、それによって積層セラミック電子部品が構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック電子部品。
5. 対向し合う第１，第２の端面に第１，第２の端子電極がそれぞれ形成されているセラミック焼結体を用意する工程と、
   前記セラミック焼結体の第１，第２の端子電極の外側面に、第１，第２の金属端子を当接させた状態で、前記第１，第２の金属端子の前記第１，第２の端子電極と反対側の面である外側の面側から金属を溶射することにより、第１，第２の金属端子を第１，第２の端子電極に接合する工程とを備えることを特徴とする、セラミック電子部品の製造方法。
   

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