JP2008227332A - 積層セラミックコンデンサとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】薄型化を実現しながら絶縁特性の低下を抑制することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、本発明は、セラミック粒子5からなる誘電体層2と内部電極1を交互に積層した積層体3と、前記積層体3の少なくとも両端面に設けるとともに前記内部電極1と交互に電気的に接続した一対の外部電極4を有する積層セラミックコンデンサ6において、前記誘電体層2の単位長さ当たりの前記セラミック粒子5間の界面の数は、前記一対の外部電極を結ぶ方向(2B方向)より積層方向(2A方向)を実質的に多くする構成とした。これにより、薄層化により厚み方向のセラミック粒子5の絶対数が減ったとしても粒界の数を増やすことで絶縁特性の低下を抑制することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる積層セラミックコンデンサに関する。

従来のセラミックコンデンサの構成を説明する。

図5(a)は従来のセラミックコンデンサの一部切り欠き斜視図、図5(b)は要部拡大断面図である。図5において、誘電体層32は、主として、セラミック粒子35であるチタン酸バリウムからなっており、内部電極31と誘電体層32を交互に積層して積層体33が構成されている。この積層体33の両端面に一対の外部電極34が形成されており、前記内部電極31は、前記一対の外部電極34と電気的に交互に接続されてセラミックコンデンサ36を構成している。

近年、電子機器の薄型化により積層セラミックコンデンサにおいても薄型化が求められている。積層セラミックコンデンサを薄型化するには、誘電体層を薄層化することが挙げられる。

なお、本発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開2003―133164号公報

誘電体層を薄層化するには、セラミック粒子を小さくすればよいのだが、単にセラミック粒子を小さくして薄層化した場合、内部電極間のセラミック粒子の数が少なくなり、その結果、絶縁特性が低下する。

そこで本発明は、薄型化を実現しながら絶縁特性の低下を抑制することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、誘電体の単位長さ当たりのセラミック粒子間の界面の数を一対の外部電極を結ぶ方向より積層方向を実質的に多くする構成にした。

本発明によれば、内部電極間の誘電体のセラミック粒子の粒界の数を実質的に増やすことで絶縁特性を向上させることができる。特に、薄層化により厚み方向のセラミック粒子の数が減ったとしても粒界の数を実質的に増やすことで絶縁特性の低下を抑制することができる。

以下、一実施の形態および図面を用いて、本発明の積層セラミックコンデンサとその製造方法について説明する。

図1(a)は本発明の積層セラミックコンデンサの一部切り欠き斜視図、図1(b)は図1(a)のA部の拡大断面図である。

図1において、内部電極1と誘電体層2を交互に積層して積層体3が構成されている。

内部電極1の材料にニッケル、銅、銀、パラジウム、白金のいずれか一つを主成分として用いることで高周波特性が向上するという効果を有する。

また、誘電体層2は主としてセラミック粒子からなり、その構造としては、例えば、ペロブスカイト化合物、タングステンブロンズ化合物が挙げられる。ペロブスカイト化合物を用いた場合は誘電率が高くなるという効果を有し、代表的な材料としてはチタン酸バリウムが挙げられる。

一方、タングステンブロンズ化合物を用いた場合は温度特性が向上するという効果を有し、代表的な材料としてはBa―Nd―Ti−O系が挙げられ、さらに温度特性を向上させるために酸化ビスマス等を添加することも可能である。

前記積層体3の一端面には内部電極1が一層おきに露出しており、他端面には前記一端面では露出していなかった内部電極1が露出している。そして、前記両端面に露出している内部電極1と電気的に接続するようにそれぞれ外部電極4が形成されて積層セラミックコンデンサ6が構成されている。

図2を用いて、誘電体層についてさらに説明する。図2は誘電体層2の拡大断面図であり、内部電極1の間の誘電体層2が主としてセラミック粒子5から構成されていることを示している。

本発明の積層セラミックコンデンサの特徴は、一対の外部電極4を結ぶ方向(図2の矢印2B方向)の誘電体層2の単位長さ当たりのセラミック粒子5間の界面の数より積層方向(図2の矢印2A方向)の誘電体層2の単位長さ当たりのセラミック粒子5間の界面の数を実質的に多くした点にある。この界面の数は、例えば、以下の方法により確認することができる。

すなわち、積層セラミックコンデンサの破断面あるいは研磨面をエッチングして粒界を観察可能にした後その破断面あるいは研磨面をSEM写真にて撮影し、この写真に一対の外部電極を結ぶ方向および積層方向に、ある長さの直線を引き、その直線を横切る粒界の数を測定することで単位長さ当たりのセラミック粒子間の界面の数を算出することができる。測定箇所を多くすることで界面の数の精度を挙げることができるが、一般的には5箇所程度の測定値の平均値で確認すればよい。

なお、ここでいう界面とは、主成分のセラミック粒子同士が形成する界面を意味し、添加物などにより形成される粒界相も界面に含める。

ここで用いるセラミック粒子5の形状は、形状異方性を有するもので、具体的には、針状、板状、柱状が挙げられる。そして、いずれの形状も、長径と短径の関係が長径/短径≧2以上であれば、セラミックグリーンシートを製造する際、セラミック粒子の短径方向が積層方向に向きやすくなるため積層方向の粒界の数を増やすことができる。

本一実施の形態の場合(図2の場合)は、矢印2A,2Bをそれぞれ単位長さとした場合、一対の外部電極4を結ぶ方向(図2の矢印2B方向)のセラミック粒子の界面の数は1つ、積層方向(図2の矢印2A方向)のセラミック粒子の界面の数は4つである。

形状異方性のチタン酸バリウムを作製する方法の一つとしては、以下に示すように、形状異方性のチタン化合物を結晶核として用いた水熱反応による方法が挙げられる。ここで水熱反応とは、チタンおよびバリウムの化合物を分散させた溶液に熱と圧力とを加えることにより化学反応を促進させて結晶を生成させる方法である。

図3は水熱反応を用いた形状異方性を有するチタン酸バリウムの製造方法を示すステップ図である。

まず、形状異方性を有するチタン化合物として酸化チタン、溶媒に水をそれぞれ用いて酸化チタンを水に分散させる(3a)。

次に、アルカリ土類金属化合物として水酸化バリウム八水和物を用い、上記酸化チタン水溶液に添加して混合溶液とする(3b)。

このとき、チタンとバリウムの比率としてはバリウムの方がチタンより多くなるようにすることが望ましい。すなわち、最終的に得られるチタン酸バリウムはペロブスカイト構造となっており、このペロブスカイトの化学式をABO3とした場合、A/B>1.0(A、Bは元素、Oは酸素をそれぞれ示す。ここでは、元素AはBa、元素BはTi)となるように、酸化チタンとバリウム塩の混合量を調整するようにする。Bは低融点化合物であり、粒成長しやすい性質を持っているが、このような比率になるように設定することにより、後述する水熱反応時に粒成長することが抑制され、その結果、微細な粒子が生成しやすくなる。

さて、ここで、アルカリ土類金属化合物の溶解度を上げるために酸化チタン水溶液に塩基性化合物を添加することができる。ここで塩基性化合物とは、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等の水酸化物やアンモニア水等が挙げられる。

このように塩基性化合物を添加することにより酸化チタン水溶液をアルカリ側にシフトさせることができ、これにより、アルカリ土類金属化合物の溶解度を上げることができるものである。このように混合溶液における反応主体の濃度を高くすることによって、後述する水熱反応において反応性を上げることができるものである。

次に、上記混合溶液を水熱反応用の容器に入れ、200℃の温度で水熱反応させる(3c)。水熱反応の温度は200℃以上が好ましい。これは200℃以上で水熱反応させるとより結晶性の高いものが得られるからである。

次に、水熱反応を終えた混合溶液を乾燥させて、チタン酸バリウムを得る(3d)。

次に、この乾燥したチタン酸バリウムを必要に応じて酸性溶液にて洗浄して残留する炭酸塩を除去する(3e)。酸性溶液としては酢酸等の弱酸を用いて行う。このように洗浄して残留する不純物を除去することにより、この材料を積層セラミックコンデンサに用いたときの信頼性を向上させることができる。

次に、酸性溶液にて洗浄されたチタン酸バリウムを乾燥させて(3f)、目的とするチタン酸バリウムを得る。

なお、上記混合溶液には、Mg、希土類、Mn、Siの少なくとも一つを含んでもよく、これにより、誘電率の温度特性が改善されるという効果が得られる。これら、Mg、希土類、Mn、Siは、水熱反応前であればどの段階で添加してもよい。

さて、次に、形状異方性のセラミック粒子を用いて本発明の積層セラミックコンデンサの製造方法について図4を用いて説明する。

図4は本発明の積層セラミックコンデンサの製造方法を示すステップ図である。

まず、形状異方性を有するチタン酸バリウムを主成分とするセラミック粒子および電気特性調制するための添加物(MgO、MnO2、SiO2、Y23など)と、バインダとしてブチルセロソルブ、溶媒として酢酸ブチルを混合、分散しセラミックスラリーを作製する(4a)。

次に、ドクターブレードなどの方法を用いて、ポリエチレンテレフタレート(以下PETと称する)のフィルム上に塗布、乾燥してセラミックグリーンシートを作製する(4b)。

このときセラミック粒子は形状異方性を有しているので粒子の短径方向が積層方向に揃いやすくなり、結果、積層方向における粒界の数を増やすことができる。

続いて、金属ニッケル粉末を主成分として、バインダー、可塑剤、溶剤からなる内部電極用ペーストを作製し、スクリーン印刷法によりPETフィルム上に内部電極パターンを塗布、乾燥して内部電極を作製(4c)。内部電極パターンは、後の個片化工程で切断、分離した時、個片の積層セラミックコンデンサが得られるようにその寸法、形状および位置を設定する。

そして、前記セラミックグリーンシートと前記内部電極を交互に積層して積層体を作製する(4d)。

続いて、前記積層体を焼成して焼結体を作製し(4e)、個片化した後(4f)、個片化した焼結体の両端面に露出した内部電極と電気的に接続するように外部電極を形成して(4g)、積層セラミックコンデンサを得る。

上述した焼成工程においては、積層方向の粒界の数をより増やすため以下の方法を採用することも可能である。

すなわち、積層体3を積層方向に加圧しながら焼成するという方法である。この方法によれば、焼成時積層体を加圧することでセラミックグリーンシート内のセラミック粒子の粒成長が加圧方向と直交する方向に起きやすくなる。これにより積層方向の粒界の数をより増やすことができる。

また、積層体の積層方向の最外層表面に誘電体層の焼結する温度以上の異なる温度で焼結するセラミック粒子からなる拘束層を設けて焼成するという方法もある。ここで用いる拘束層の材料としては、誘電体層としてチタン酸バリウムを用いる場合、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等の絶縁材料が挙げられる。

この拘束層は誘電体層の焼結する温度では焼結しないため、焼成時、拘束層を設けている積層体の最外層は積層方向と直交する方向において焼結による収縮が抑制される。一方、積層方向には収縮を拘束するものがないため収縮しやすくなる。セラミックグリーンシート内のセラミック粒子の粒成長が積層方向と直交する方向に起きやすくなる。これにより積層方向の粒界の数をより増やすことができる。

この拘束層は焼成後除去するが、このとき、拘束層を構成するセラミック粒子が焼結体に一部残るように除去することではんだ流れを抑制することができるという効果が得られる。

一部残るようにとは、できるだけ均一に、拘束層を構成するセラミック粒子が点在するように(島状に)残留させることが好ましく、方法としては、ブラスト、研磨、ブラシ等を用いることができる。こうすることで、積層方向の最外層表面の外部電極の非形成面に絶縁性粒子を形成(残存)することができる。

また、拘束層を用いず、内部電極で代用する方法もある。すなわち、内部電極は誘電体層と焼結温度が異なる点を利用したもので、特に、内部電極の厚みを誘電体層の0.5倍以上の厚みにすることで、上述した拘束層と同様の効果を得ることができる。

本発明は、特に、薄型化が要求される電子機器等に有用である。

(a)本発明の一実施の形態における積層セラミックコンデンサの一部切り欠き斜視図、(b)同要部拡大断面図 同要部拡大断面図 本発明の一実施の形態におけるチタン酸バリウムの製造工程を示すステップ図 本発明の一実施の形態における積層セラミックコンデンサの製造工程を示すステップ図 (a)従来の積層セラミックコンデンサの一部切り欠き斜視図、(b)同要部拡大断面図

符号の説明

1 内部電極
2 誘電体層
3 積層体
4 外部電極
5 セラミック粒子
6 積層セラミックコンデンサ

Claims (17)

  1. セラミック粒子からなる誘電体層と内部電極を交互に積層した積層体層と、前記積層体層の少なくとも両端面に設けるとともに前記内部電極と交互に電気的に接続した一対の外部電極を有する積層セラミックコンデンサにおいて、前記誘電体層の単位長さ当たりの前記セラミック粒子間の界面の数は、前記一対の外部電極を結ぶ方向より積層方向を実質的に多くした積層セラミックコンデンサ。
  2. 前記セラミック粒子の形状は針状である請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  3. 針状のセラミック粒子の長径と短径の関係が長径/短径≧2である請求項2記載の積層セラミックコンデンサ。
  4. 前記セラミック粒子の形状は板状である請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  5. 板状のセラミック粒子の長径と短径の関係が長径/短径≧2である請求項4記載の積層セラミックコンデンサ。
  6. 前記セラミック粒子はペロブスカイト化合物である請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  7. 前記ペロブスカイト化合物はチタン酸バリウムを主成分とする請求項6積層セラミックコンデンサ。
  8. 前記セラミック粒子はタングステンブロンズ化合物である請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  9. 前記セラミック粒子はバリウム、希土類、チタンを含有する請求項8記載の積層セラミックコンデンサ。
  10. 内部電極の材料としてニッケル、銅、銀、パラジウム、白金のいずれか一つを主成分とする請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  11. 内部電極の厚みが誘電体層の厚みの0.5倍以上である請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  12. 前記積層セラミックコンデンサの最外層表面に前記誘電体層の材料とは異なる材料からなる絶縁性粒子を設けた請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  13. 絶縁性粒子はアルミナ、マグネシア、ジルコニアのいずれか一つからなる請求項12記載の積層セラミックコンデンサ。
  14. 形状異方性を有するセラミック粒子からなる誘電体層と内部電極を交互に積層した積層体と、前記積層体の少なくとも両端面に設けるとともに前記内部電極と交互に電気的に接続した一対の外部電極を有する積層セラミックコンデンサの製造方法において、前記積層体を積層方向に加圧しながら焼成する工程を有する積層セラミックコンデンサの製造方法。
  15. 形状異方性を有するセラミック粒子からなる誘電体層と内部電極を交互に積層した積層体と、前記積層体の少なくとも両端面に設けるとともに前記内部電極と交互に電気的に接続した一対の外部電極を有する積層セラミックコンデンサの製造方法において、前記積層体の積層方向の最外層表面に前記誘電体層の焼結する温度以上の異なる温度で焼結するセラミック粒子からなる拘束層を設けて焼成する工程を有する積層セラミックコンデンサの製造方法。
  16. 前記拘束層としてアルミナ、マグネシア、ジルコニアのいずれか一つを用いる請求項15記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
  17. 焼成した後前記拘束層を構成するセラミック粒子を島状に設ける請求項15記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
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