JP2009007196A - 誘電体磁器およびこれを用いたコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 常誘電性を有するとともに、比誘電率が１５０以上で、かつ測定周波数１００Ｈｚ、温度１００℃における誘電損失が１％以下の誘電体磁器およびこれを用いた電子部品を提供する。
【解決手段】 金属元素として、Ｂａのみ、ＢａおよびＳｒの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せと、Ｔｉ、ＮｂおよびＹとを含有するとともに、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３と表したとき、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２の範囲とすることにより、常誘電性を有するとともに、室温での比誘電率が１５０以上、測定周波数１００Ｈｚにおける１００℃での誘電損失が１％以下である誘電体磁器を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属元素として、Ｂａのみ、ＢａとＳｒとの組合せ、およびＢａ、Ｓｒ、Ｃａの組合せのうちのいずれかと、Ｔｉ、ＮｂおよびＹとを含有するチタン酸塩の誘電体磁器およびこれを用いたコンデンサに関する。

電子部品の代表であるコンデンサに用いられる誘電体セラミックス（誘電体磁器）は強誘電性が大きいために、電界が印加された場合に電気誘電歪が発生するという問題がある。例えば、大面積の電源回路を備えるプラズマディスプレイなどでは、電源回路上に多くのコンデンサが実装されており、しかも動作する面積が大きいことから電気誘電歪に起因する振動の振幅が大きくなりやすい。このため電源回路上に実装された複数のコンデンサが共鳴したりすると「音鳴り」と呼ばれる奇妙なノイズ音が発生し、ディスプレイを見ている人に不愉快な思いをさせる原因となる。このため、電気誘電歪が小さく、かつ比誘電率が大きい誘電体セラミックスが要求されている。

このような条件を満たす誘電体セラミックスとして、例えば、ＡサイトをＳｒ、ＣａおよびＢａなどの複数のアルカリ土類金属元素で構成するとともに、ＢサイトをＴｉ、ＺｒおよびＨｆで構成したものが知られており（例えば、特許文献１参照）、このような誘電体セラミックスにより構成されたコンデンサは、温度２５℃、測定周波数１ｋＨｚにおける静電容量から求めた比誘電率が１５０以上、同条件における誘電損失が０．３％以下の誘電特性を示すことが示されている。
特開２００４−２９２１７３号公報

しかしながら、ＡサイトをＳｒ、ＣａおよびＢａなどの複数のアルカリ土類金属元素で構成するとともに、ＢサイトをＴｉ、ＺｒおよびＨｆで構成した上記誘電体セラミックスでは、例えば、測定周波数１００Ｈｚの低周波数で測定した場合、５０℃を超えるあたりから誘電損失が急激に増大する傾向にあり、１００℃での誘電損失が１％よりも大きくなるものであった。

１００℃以上の温度領域における誘電損失の増加は、誘電体セラミックスにおける高温での絶縁抵抗を低下させる原因になることから高温負荷寿命などの信頼性が得られないという問題につながることになる。このため比誘電率が大きく、かつ高温での誘電損失が小さい誘電体セラミックスが要求されている。

従って本発明は、常誘電性を有するとともに、比誘電率が１５０以上で、かつ測定周波数１００Ｈｚ、温度１００℃における誘電損失が１％以下の誘電体磁器およびこれを用いた電子部品を提供することを目的とする。

本発明者等は、化学式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造の誘電体セラミックスをベースとして、Ａサイトを、Ｂａのみ、ＢａとＳｒとの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せとするとともに、Ｂサイトの主成分をＴｉとして、これにＮｂおよびＹをモル比でＮｂ：Ｙ＝１：１となるように固溶させて、Ａサイトを２価、Ｂサイトを４価の値に保つことによって室温および１００℃以上の高温における誘電損失を低く維持することができ、その結果、静電容量値と絶縁性の低下を抑制することができることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明の誘電体磁器は、金属元素として、Ｂａのみ、ＢａとＳｒとの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せと、Ｔｉ、ＮｂおよびＹとを含有するとともに、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３と表したとき、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２の範囲にあることを特徴とする。

また、本発明のコンデンサは、上記誘電体磁器からなる誘電体層と導体層とを交互に積層した積層体により形成してあることを特徴とする。

本発明の誘電体磁器によれば、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３と表したとき、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２の範囲を満足するようにしたことから、常誘電性を有するとともに、室温での比誘電率が１５０以上、測定周波数１００Ｈｚにおける１００℃での誘電損失が１％以下である誘電体磁器を得ることができる。

また、本発明のコンデンサによれば、上記誘電体磁器からなる誘電体層と導体層とを交互に積層した積層体により形成してあることから、小型大容量化できるとともに、ノイズ音を低減できる。

本発明の誘電体磁器は、金属元素として、Ｂａのみ、ＢａおよびＳｒの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せと、Ｔｉ、ＮｂおよびＹとを含有するとともに、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３と表したとき、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２の範囲を満足するもので、いわゆるＡＢＯ_３からなるペロブスカイト型の結晶構造を有するものである。

ＡサイトにおけるＳｒのＢａによる置換量を示すｕおよびＣａの置換量を示すｖと、ＢサイトにおけるＴｉのＮｂの置換量を示すｘとＹによる置換量を示すｙとを、それぞれ上記の範囲とすることにより、常誘電性を発揮することができるようになり、室温（２５℃）における比誘電率が高く、また、１００℃以上の高温においても低誘電損失を得ることができる。

即ち、Ａサイトを、Ｂａのみ、ＢａおよびＳｒの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せから構成することにより、比誘電率の高いチタン酸塩とすることができ、誘電体磁器としての比誘電率を１５０以上にできる。

また、ＢサイトにおけるＴｉの一部をＮｂおよびＹで置換することで、常誘電性とすることができ、電気誘起歪を小さくできるとともに、測定周波数１００Ｈｚ、温度１００℃における誘電損失を１％以下とすることができる。

なぜなら、ＡサイトがＢａを含まず、ＢサイトにＮｂおよびＹを含まない場合には、チタン酸塩として高い比誘電率を示すものの、ＳｒＴｉＯ_３の影響が大きくなり、１００℃以上において誘電損失が大きくなり、また、ＡサイトがＢａのみでかつＢサイトにおけるＮｂの置換量ｘおよびＹによる置換量ｙをいずれも０．０５より小さいまたは０．２よりも大きくすると、１００℃での誘電損失が１％を超えるようになり、１００℃よりも高温になると誘電損失はさらに増加するからである。

特に、Ｃａの置換量ｖを０≦ｖ≦０．３とし、ＢサイトのＴｉの一部を等モルのＮｂおよびＹで置換するとともに、図１に示す組成範囲とすることが好ましく、図１に示すように、ｕ＝１（線分：Ａ）、ｙ＝０．５（線分：Ｂ）、ｙ＝０．２ｕ（線分：Ｃ）およびｙ＝０．１９ｕ−０．０１５（線分：Ｄ）の４つの線分に囲まれた範囲であると、誘電体磁器の室温（２５℃）における比誘電率を２５０以上に高められる。なお、Ｔｉサイトの置換成分であるＮｂおよびＹは等モルであることから図１ではＹの置換量ｙとして示してある。

このように、ＢサイトのＴｉの一部を等モルのＮｂおよびＹで置換すると、チタン酸バリウム系の誘電体磁器であっても常誘電性とすることができ、電気誘起歪を小さくできるとともに、Ａサイトを、Ｂａのみ、ＢａおよびＳｒの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せから構成することで、Ｓｒ、ＣａおよびＴｉを含む結晶相とＢａ、ＮｂおよびＹを含む結晶相との混晶系とするか、もしくはＢａ、ＮｂおよびＹを含む結晶相を主相とすることができ、比誘電率の高いチタン酸塩が形成されることとなり、誘電体磁器として高誘電率かつ低誘電損失にすることができる。

本発明の誘電体磁器のＡサイトとＢサイトの比率は、Ａ／Ｂ比が０．９９５〜１．００５の範囲とされることが望ましい。このようにＡ／Ｂ比が１でない場合には、特に、結晶粒子を形成する構成元素と助剤成分とからなる結晶が形成され、結晶粒子の粒界に結晶として析出する傾向にある。

なお、本発明の誘電体磁器は、結晶粒子と粒界相とから構成されるが、粒界相を形成する材料として、誘電特性を劣化させない程度であればＳｉＯ_２を主体とし、これにＬｉ_２ＯやＢ_２Ｏ_３を焼結助剤として含有していても構わない。

本発明の誘電体磁器の組成を分析するには、蛍光Ｘ線分光分析により含まれる元素を定性分析し、これらの特定した元素についてＩＣＰ発光分光分析により定量分析を行うことで確認できる。また、誘電体磁器を構成する結晶粒子の組成を分析するには、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を用い、ＴＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光分析装置）で確認できる。

次に、本発明の誘電体磁器の製造方法について説明する。

本発明の誘電体磁器は、原料粉末として、平均粒径５μｍ以下のＢａＣＯ_３粉末のみ、または平均粒径５μｍ以下のＳｒＣＯ_３粉末とＢａＣＯ_３粉末、あるいは平均粒径５μｍ以下のＳｒＣＯ_３粉末、ＢａＣＯ_３粉末、およびＣａＣＯ_３粉末に、さらに平均粒径０．１〜０．５μｍのＴｉＯ_２粉末、平均粒径０．５〜３μｍのＮｂ_２Ｏ_５粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末を用い、それぞれの粉末を、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｙ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２となるように所定量秤量して混合し、１０００℃〜１４００℃で仮焼（大気中）し、これを粉砕して（Ｓｒ_{１−ｕ−ｙ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３からなる仮焼粉末を作製する。

ここで、仮焼温度を１０００℃〜１４００℃としたのは、１０００℃未満では仮焼粉末を合成することができず、１４００℃を超えると溶融が起こって合成できないからである。

次に、この仮焼粉末にバインダー等を加えて混合し、所定形状に成形する。このとき必要に応じてＳｉＯ_２とともに、Ｌｉ_２ＯやＢ_２Ｏ_３を焼結助剤として仮焼粉末１００質量部に対して合計２質量部以下の範囲で添加しても構わない。そして、得られた成形体を大気雰囲気中で１０００℃〜１４００℃の温度で焼成することにより、本発明の誘電体磁器を得ることができる。

次に、本発明の誘電体磁器を積層セラミックコンデンサの誘電体層に適用した例について説明する。

積層セラミックコンデンサとしては、誘電体層と導体層とが交互に積層されたコンデンサ本体の両端面に外部電極を形成し、コンデンサ本体内の導体層を電気的に接続したもので、コンデンサ本体を形成する誘電体層が本発明の誘電体磁器からなる。導体層しては、Ａｇ−Ｐｄを用いることができる。

このような積層セラミックコンデンサは、上述した仮焼粉末を得た後、必要に応じて焼結助剤を加えるとともに、バインダーを混ぜて混練したあと、印刷装置を用いて複数枚のセラミックグリーンシートを作製し、各セラミックグリーンシート上にＡｇ−Ｐｄを含有する導電性ペーストを塗布したあと、導電性ペーストが塗布されたグリーンシートを複数枚積層し、これを焼成してコンデンサ本体を作製し、このコンデンサ本体の両端部に外部電極を形成することにより得ることができる。

このような積層セラミックコンデンサでは、測定周波数１００Ｈｚ、温度１００℃における誘電体層での誘電損失が１％以下であり、２５℃での誘電体層の比誘電率が１５０以上と高いため、静電容量を高くすることができるとともに、小型化が可能となり、電気誘起歪を小さくできるため、電源回路において共鳴した場合、「音鳴り」と呼ばれる奇妙なノイズ音がなくなり、例えば、プラズマディスプレイなどの電源回路にも好適なコンデンサを提供することが可能となる。

原料粉末として、純度９９．０％で平均粒径１μｍのＳｒＣＯ_３粉末、ＢａＣＯ_３粉末、ＣａＣＯ_３粉末、純度９９．０％で平均粒径０．４μｍのＴｉＯ_２粉末、純度９９．９％で平均粒径１μｍのＮｂ_２Ｏ_５粉末、純度９９．０％で平均粒径１μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を用意し、それぞれ所定量秤量してイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いてポット混合した。

この後、アルミナるつぼで仮焼（大気中）を行った。仮焼処理温度は１０００〜１５００℃で行った。

仮焼合成後の仮焼粉末をＸ線回折（測定範囲２θ：２０〜８０°：ＣｕＫα）にかけ、合成相を確認した結果、大部分が（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３の組成式で表されるものであった。

この後、仮焼粉末１００質量部に対してＳｉＯ_２とＬｉ_２Ｏを焼結助剤として１質量部添加し、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いてポット混合した。次いで、ＩＰＡを乾燥させ、パラフィンワックスを混合後、プレス処理を行ってプレス単板を作製し、これを４００℃で２４時間脱脂処理した後、大気雰囲気中で１２００℃〜１４００℃の温度で焼成を行い、電気特性評価用の誘電体磁器単板を作製した。単板の大きさは、直径１０mm、厚み１ｍｍとした。

この誘電体磁器単板について、蛍光Ｘ線分光分析により元素を定性分析し、これらの特定した元素についてＩＣＰ発光分光分析により定量分析を行い、組成を分析した。この
また、焼成後の誘電体磁器単板の主面全面にＩｎ−Ｇａからなる電極を塗布し、１Ｖｒｍｓ、１００Ｈｚで室温（２５℃）における静電容量、誘電損失（ｔａｎδ）を測定し、２５℃の静電容量から誘電体磁器の比誘電率を求めた。また、誘電損失は２５℃、１００℃、１２５℃および１５０℃での値をそれぞれ測定した。これらの結果を表１に示す。

さらに、常誘電体か否かを、電界−分極電荷特性（ヒステリシス曲線）で求めた結果、ＢサイトにおけるＴｉの一部をＮｂおよびＹにより置換した誘電体磁器単板は、全て常誘電体であった。ここで、図１に示した符号は表１の試料Ｎｏ．に対応している。

表１の結果から分かるように、本発明の誘電体磁器は、１００Ｈｚで測定した１００℃における誘電損失ｔａｎδの値が１％以下であり、試料Ｎｏ．１のＳｒＴｉＯ_３のｔａｎδ６．７３％と比較して非常に小さいことがわかる。また、２５℃での比誘電率も１５０以上と高いことがわかる。さらに、本発明の誘電体磁器は、常誘電性を示すので、電気誘起歪を小さいものであった。

特に、試料Ｎｏ．３、４、６〜１１は、Ｃａの置換量ｖが０≦ｖ≦０．３の範囲にあるとともに、ＢサイトのＴｉの一部を等モルのＮｂおよびＹで置換してなり、さらに図１に示す組成範囲にあるため、室温（２５℃）における比誘電率を２５０以上とすることができた。

これに対して、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１、２、１２は室温（２５℃）における比誘電率が１９０以上と高いものの、１００℃における誘電損失が１％を超えていた。

本発明の誘電体磁器の好ましい組成範囲を示すグラフである。

Claims (2)

1. 金属元素として、Ｂａのみ、ＢａとＳｒとの組合せ、またはＢａ、ＳｒおよびＣａの組合せと、Ｔｉ、ＮｂおよびＹとを含有するとともに、モル比による組成式を（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ}Ｂａ_ｕＣａ_ｖ）（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｎｂ_ｘＹ_ｙ）Ｏ_３と表したとき、０．３≦ｕ≦１、０≦ｖ≦０．３、ｕ＋ｖ≦１、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．２の範囲にあることを特徴とする誘電体磁器。
2. 請求項１記載の誘電体磁器からなる誘電体層と導体層とを交互に積層してなることを特徴とするコンデンサ。

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