JP2009120477A - ガラス組成物、これを含む誘電体組成物及びこれを用いた積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】高誘電率を示しながら低温焼結が可能なガラス組成物、これを含む誘電体組成物及びこれを用いた積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板が提案される。
【解決手段】提案されたガラス組成物は、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10である。
【選択図】図1
【解決手段】提案されたガラス組成物は、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10である。
【選択図】図1
Description
本発明はガラス組成物、これを含む誘電体組成物及びこれを用いた積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板に関するもので、より詳しくは、高誘電率を示しながら低温焼結が可能なガラス組成物、これを含む誘電体組成物及びこれを用いた積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板に関する。
最近、各種の電子製品の小型化及び高周波数化の傾向により、表面実装素子(surface mount device)チップ形態の素子を基板表面に実装するのではなく回路パターンが印刷された基板内部に内蔵(embedding)させ全体製品の体積を減らすと同時に基板の集積度を高める技術が注目を浴びている。
このように、基板上に部品として存在したチップ形態の素子を層(layer)形態(例えば、キャパシタ)に製造して基板内に内蔵させるとチップによる体積の増加を抑制することができる。また、キャパシタの場合にはチップ形態のキャパシタより層形態のキャパシタが高周波特性(寄生インダクタンスが少ない)に優れる面がある。従って、多様な方法でチップを基板内に内蔵させようとする試みが行われている。
印刷回路基板は誘電層素材の種類によって大きく2つに分けられる。高分子有機素材を誘電層として使用するPCB(printed circuit board)は広く使用されている。PCBにおいて回路パターンを形成する方法はメッキ法が使用される。これに反してセラミック素材を使用する基板は回路パターンを形成する方法が主にスクリーンプリンティングであり、誘電層と電極を同時に焼結して製造される。通常、焼結工程は800℃以上で行われる。
2つの基板は材料と工程の面では非常に異なるが、実際の製品は多層に積層された積層体の間に回路パターンが形成されている構造がほぼ類似するため、その応用範囲は相互重なる場合が多い。しかし、言及したように、材料及び工程の技術内容が全く異なるため一つの技術を利用して2種類の基板に同時に適用できる技術は多くない。
このうち、セラミック基板にキャパシタを内蔵しようとする場合には、セラミックとガラスを含むセラミックグリーンシートの間にキャパシタ用誘電体層を形成し、それぞれ内部電極を形成して同時焼結する。キャパシタは誘電率特性が重要であるが、高誘電率及び環境的な要因のため従来に使用していたPbの代わりにチタン酸バリウム(BaTiO3)を誘電体層に使用される組成物の主成分として使用することができる。しかし、BaTiO3の場合、低温焼成を誘導する焼結調剤を使用しない場合1400℃以上で焼結が可能で、焼結調剤を利用するとしても1000℃以下では焼結が困難である。
キャパシタを内蔵するセラミック基板の場合には誘電率と焼結可能温度が重要である。セラミック基板の場合、セラミックシート内に電気伝導性が良いAgまたはCuのような金属を印刷して電極を形成し、これを焼結して回路パターンが形成された基板を完成する。従って、セラミック基板の焼成温度は少なくともAg、Cuの融点より低くなければならない。しかし、キャパシタを内蔵する場合、内蔵されたキャパシタも共に焼結されなければならないため、その焼成温度は少なくともAg、Cuの融点より低いべきであるが、前述したように低い温度で焼結するとキャパシタの誘電体は焼結が未完成し、誘電率が低くなり得るという問題点がある。
従って、低温焼成後にも高誘電率を示すことができる積層セラミックキャパシタを内蔵する低温同時焼成セラミック基板を製造することができる技術の開発が求められる。
本発明は上述の問題点を解決するためのもので、本発明の目的は、高誘電率を示しながら低温焼結が可能なガラス組成物、これを含む誘電体組成物及びこれを用いた積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板を提供することにある。
前述の技術的課題を達成すべく、本発明の一実施形態によるガラス組成物は、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10である。
ここで、aは40≦a≦60であることが好ましく、bは20≦b≦30であることが好ましく、cは5≦c≦15であることが好ましい。
本発明の他の実施形態によると、主成分のBaTiO3と、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であることを特徴とするガラス組成物を含有する副成分とを含む誘電体組成物が提供される。
誘電体組成物の焼結温度は600℃乃至900℃であることが好ましく、その誘電率は200乃至300であることができる。
誘電体組成物において主成分及び副成分の体積比は全体誘電体組成物の体積を基準として、30vol%/70vol%乃至50vol%/50vol%である。
主成分のBaTiO3の平均粒径は0.1μm乃至1μmであることが好ましいが、より好ましくはBaTiO3の平均粒径は0.2μm乃至0.5μmである。
本発明の他の実施形態によると、セラミックシート内部電極が印刷された複数のセラミックグリーンシートが積層されたセラミック積層体の内部に、複数の誘電体層、誘電体層の間に形成されセラミックシート内部電極と電気的に連結された複数のキャパシタ内部電極を含み、誘電体層は、BaTiO3及び組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であるガラス組成物を含むことを特徴とする誘電体組成物を含むことを特徴とする積層セラミックキャパシタを内蔵することを特徴とする積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板が提供される。
セラミックシート内部電極は、AgまたはCuのいずれか一つの金属を含むことが好ましい。
積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板は、焼成温度が600℃乃至900℃であることが好ましい。
本発明によるガラス組成物を含む誘電体組成物を使用すると、高い誘電率を示しながら比較的低温で焼結が可能である。この誘電体組成物を積層セラミックキャパシタの誘電体層に使用すると、低温同時焼成セラミック基板に内蔵させることができる。
従って、高誘電率を有する積層セラミックキャパシタを低温同時焼成セラミック基板に内蔵できると共に、低温同時焼成セラミック基板に電気伝導性が高いAgまたはCu電極を使用することができるため、高誘電率積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板の製品信頼性及び性能が向上する効果がある。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において通常の知識を有している者に本発明をより完全に説明すべく提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることがある。
本発明の一実施形態によるガラス組成物は、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10である。
ビスマス酸化物(Bi2O3)においてビスマス(Bi)の含量は、ガラス組成物の全体モル数を100としたとき40乃至99モルである。即ち、Biは他の成分より含量が高いためその特性がガラス組成物の全体特性の及ぼす影響は大きい。Biはガラス組成物のガラス転移温度(Tg)を減少させ、誘電率を高めるのに寄与する。
また、Biは焼結により緻密化が成された後、強誘電体材料のBi4Ti4O15組成の結晶質形成に寄与する。従って、Biは前述のようにガラス組成物に高い含量で含まれることが好ましい。しかし、過量に添加される場合、Biが組成物内で酸化物の形態ではなく金属として存在する可能性がある。Biが金属として存在する場合、誘電体特性に悪影響を及ぼすことがある。従って、より好ましいBiの含量はガラス組成物の全体モル数を100としたとき40乃至60モルである。
ホウ素酸化物(B2O3)はガラス組成物を製造するため必ず必要な成分であって、ネットワーク形成成分(network former)として使用される。ホウ素(B)はTg減少に寄与する。Bの含量はガラス組成物の全体モル数を100としたとき10乃至50モルで、より好ましくは20乃至30モルである。
二酸化ケイ素(SiO2)はBのようにガラス組成物を製造するために必ず必要な成分であって、ネットワーク形成成分(network former)として使用される。ケイ素(Si)はTg増加に寄与する。Si含量が増加する場合、ガラスの強度と温度安定性が増加する傾向がある。Siの含量はガラス組成物の全体モル数を100としたとき1乃至20モルで、より好ましくは5乃至15モルである。
B及びSiはガラス製造のために必ず必要な成分であるが、BとSiがTgに及ぼす影響は相互異なる。BはTgの減少に寄与するが、SiはTgの増加に寄与する。但し、Si含量が増加する場合、ガラス強度と温度安定性が増加する傾向があるため、Siに比べてBの含量を高めるのがより好ましい。
バリウム酸化物(BaO)はガラス組成物の製造時に中間元素として分類される。Baはガラス組成物のTgを調整し、ガラス組成物のその他の特性を調節する。Baは以下で説明する誘電体組成物の主成分のBaTiO3に含まれたBaと同じ金属元素で、誘電体組成物におけるBi4Ti4O15結晶相の形成に寄与する。Baの含量はガラス組成物の全体モル数を100としたとき0乃至10モルである。
チタン酸化物(TiO2)はガラス組成物の製造時に中間元素に分類される。Tiはガラス組成物のTgを調整し、ガラス組成物のその他の特性を調節する。Tiは以下で説明する誘電体組成物の主成分のBaTiO3に含まれたTiと同じ金属元素で、誘電体組成物におけるBi4Ti4O15結晶相の形成に寄与する。Tiの含量はガラス組成物の全体モル数を100としたとき0乃至10モルである。
ガラス組成物は公知のガラス製造工程に従って製造することができる。ガラス組成物を製造するため原料粉末を前述の含量範囲内で秤量し、原料粉末を乾式混合する。原料粉末混合物質を溶融し、溶融液は急冷させる。急冷させた原料粉末混合溶融液は1次に乾式粉砕し、2次に湿式粉砕してガラス組成物を製造する。
本発明の他の実施形態によると、主成分のBaTiO3と、組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であることを特徴とするガラス組成物を含有する副成分とを含む誘電体組成物が提供される。ガラス組成物は前述したのと同一であるためその説明は省略する。
本発明の実施例による誘電体組成物の誘電率のためにチタン酸バリウム(BaTiO3)をセラミック充填材(filler)として使用することができる。前述のように、所望の水準の誘電率を示すために充填材としてPbを使用した。しかし、Pbの環境に対する環境的な要因のため、従来に使用していたPbの代わりにチタン酸バリウム(BaTiO3)を誘電体層に使用される組成物の主成分であるセラミック充填材として使用する。但し、BaTiO3の場合、低温焼成を誘導する焼結調剤を使用しない場合、1400℃以上で焼結が可能で、焼結調剤を利用するとしても1000℃以下では焼結が難しいため、本発明の一実施例によるガラス組成物を使用して共に誘電体組成物を形成する。
誘電体組成物において充填材の含量増加は誘電率を高めることのできる一つの方法となる。しかし、充填材が高い含量で含まれると低温焼結が難しいという問題点がある。従って、ガラス組成物とセラミック充填材は誘電体組成物の全体体積を基準として30vol%/70vol%〜50/50vol%が適当である。
充填剤の粒径は誘電率及び低温焼結性に影響を及ぼす。主成分のBaTiO3の平均粒径は0.1μm乃至1μmであることが好ましいが、より好ましくはBaTiO3の平均粒径は0.2μm乃至0.5μmである。
主成分のセラミック充填材としてBaTiO3及び本発明によるガラス組成物を含む誘電体組成物はBaTiO3を主成分として使用したにも拘らず、その焼結温度は600℃乃至900℃である。この温度でも本発明による誘電体組成物は焼結が可能で、焼結によりその誘電率は200乃至300程度の比較的高誘電率を示す。
本発明による誘電体組成物を製造するため、先ず、本発明によるガラス組成物粉末及びBaTiO3を所定の含量に秤量し、適切な添加剤及び溶媒を用いてスラリーに製造して使用することができる。誘電体スラリーは誘電体シートとしてその形態が形成されて積層される。このような誘電体組成物は以下に説明する低温同時焼成セラミック基板内に積層セラミックキャパシタとして内蔵される。
本発明の他の実施形態によると、セラミックシート内部電極が印刷された複数のセラミックグリーンシートが積層されたセラミック積層体の内部に、複数の誘電体層、誘電体層の間に形成され回路パターンと電気的に連結された複数のキャパシタ内部電極を含み、誘電体層は、BaTiO3及び組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であるガラス組成物を含むことを特徴とする誘電体組成物を含むことを特徴とする積層セラミックキャパシタを内蔵することを特徴とする積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板が提供される。
図1は、本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタ(MLCC)内蔵型低温同時焼成セラミック(LTCC)基板100の断面図である。以下、図1を参照して説明するが、ガラス組成物及び誘電体組成物は前述の説明と同一であるためその説明は省略する。
本発明のMLCC内蔵型LTCC基板100は、セラミックシート内部電極121、122が印刷された複数のセラミックグリーンシート111、112、113、114が積層されたセラミック積層体110の内部に、積層セラミックキャパシタ130を内蔵している。
セラミックシート内部電極121、122は、セラミックグリーンシート111、112、113、114の間の電気的な連結、セラミックグリーンシート及び積層セラミックキャパシタ130の電気的な連結と共に、MLCC内蔵型LTCC基板100と外部電源を連結するための電極である。但し、MLCC内蔵型LTCC基板100はセラミックシート内部電極のうち外部表面に露出した領域121に外部電極(未図示)を形成して外部電源と連結されることができる。
図1を参照すると、セラミックシート内部電極121、122はビア形態の電極121及びパッド形態の電極122を含む。また、MLCC内蔵型LTCC基板100は積層セラミックキャパシタ130のキャパシタ内部電極141、142、143、144、145をパッド形態のセラミックシート内部電極122と連結するためのキャパシタ外部連結電極151、152を含む。
このようなセラミックシート内部電極121、122及びキャパシタ外部連結電極151、152は、AgまたはCuのいずれか一つの金属を含むことが好ましい。AgまたはCuは金属中、電気伝導性の面で最も優れた性能を表す金属であって、本発明による低温焼成セラミック基板のように600℃乃至900℃で焼結される場合、優れた電気伝導性を示しながらも低温焼成時に不利な影響を受けないため好ましい金属電極として使用されることができる。
セラミックグリーンシート111、112、113、114はセラミック充填材及びガラス成分を含む。セラミックグリーンシート111、112、113、114に使用されうるセラミック充填材は低温焼成を考えて低温で焼結できる充填材であることが好ましいが、そうでない場合にもガラス成分の焼結による粘性の流動により緻密化が可能である。セラミック充填材としてはアルミナまたはチタニアを使用することができ、ガラスはB2O3、SiO2、Al2O3、及びCaOを含むガラスを使用することができる。
セラミックグリーンシート111、112、113、114は溶媒にセラミック充填材、ガラス及びこれを結合させるための結合剤を混合してシート形態に成形する。セラミックグリーンシート111、112、113、114にはこのような成分の他にも物性の向上のための分散剤などの添加剤が添加されることができる。
積層セラミックキャパシタ130は、複数の誘電体層131、132、133、134、135、136と各誘電体層131、132、133、134、135、136の間に形成されセラミックシート内部電極121、122パターンと電気的に連結された複数のキャパシタ内部電極141、142、143、144、145を含む。
誘電体層131、132、133、134、135、136は、主成分としてBaTiO3及び副成分として組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であるガラス組成物を含む。それによって、主成分であるBaTiO3の高温焼結性を抑制して低温焼結を可能にしながらも高誘電率を示すMLCC内蔵型LTCC基板100を得ることができる。本発明によるMLCC内蔵型LTCC基板100は、通常の低温同時焼成セラミック基板のように焼成温度が600℃乃至900℃であることができる。
キャパシタ内部電極141、142、143、144、145は、電気伝導性の高い金属を含むことができるが、例えば、Ag、Cu、またはNiのいずれか一つの金属を含むことができる。
以下、実施例を通して本発明をより詳しく説明する。しかし、本発明がこれらの実施例により限定されるのではない。本発明の実施例では本発明の実施形態に従って積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板を製造して誘電率及び誘電損失を測定した。
先ず、ガラス組成物は以下の表1のような含量を有するよう製造した。
表1の原料粉末を含量範囲内で秤量し、原料粉末を乾式混合する。原料粉末混合物質を溶融し、溶融液は急冷させる。急冷させた原料粉末混合溶融液は1次に乾式粉砕し、2次に湿式粉砕してガラス組成物を製造した。これに、ガラス組成物とBaTiO3の比率を40vol%/60vol%に秤量し、溶媒に混合してスラリーに製造しシート形態にキャスティングして成形した。
実施例1乃至3に従って製造されたガラス組成物を含む誘電体層をセラミックグリーンシートと共に内部に電極を印刷し積層して800℃乃至900℃で焼結した。図2a乃至図4bは実施例1乃至3で製造されたMLCC内蔵型LTCC基板の断面図及びその拡大図である。製造された内蔵型キャパシタの誘電率及び誘電損失を測定した。その結果は表2に表した。
表2を参照すると、実施例1乃至3に従って製造されたガラス組成物を利用してセラミックキャパシタに誘電体組成物が使用されたが、誘電率のための主成分としてBaTiO3と共に低温で焼成工程を行ったにも拘らず、高誘電率を表し誘電損失も低い値を表した。従って、本発明による積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板は優れたキャパシタ性能を示すのが確認できた。
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるのではなく、添付の請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有している者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。
100 MLCC内蔵型LTCC基板
110 セラミック積層体
111、112、113、114 セラミックグリーンシート
121、122 内部電極
130 積層セラミックキャパシタ
131、132、133、134、135、136 誘電体層
141、142、143、144、145 キャパシタ内部電極
151、152 キャパシタ外部連結電極
110 セラミック積層体
111、112、113、114 セラミックグリーンシート
121、122 内部電極
130 積層セラミックキャパシタ
131、132、133、134、135、136 誘電体層
141、142、143、144、145 キャパシタ内部電極
151、152 キャパシタ外部連結電極
Claims (13)
- 組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であることを特徴とするガラス組成物。
- 前記aは、40≦a≦60であることを特徴とする請求項1に記載のガラス組成物。
- 前記bは、20≦b≦30であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガラス組成物。
- 前記cは、5≦c≦15であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載のガラス組成物。
- 主成分のBaTiO3と、
組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であることを特徴とするガラス組成物を含有する副成分とを含むことを特徴とする誘電体組成物。 - 焼結温度が600℃乃至900℃であることを特徴とする請求項5に記載の誘電体組成物。
- 誘電率が200乃至300であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の誘電体組成物。
- 前記主成分及び副成分の体積比は、全体誘電体組成物の体積を基準として、30vol%/70vol%乃至50vol%/50vol%であることを特徴とする請求項5から請求項7の何れかに記載の誘電体組成物。
- 前記BaTiO3の平均粒径は、0.1μm乃至1μmであることを特徴とする請求項5から請求項8の何れかに記載の誘電体組成物。
- 前記BaTiO3の平均粒径は、0.2μm乃至0.5μmであることを特徴とする請求項5から請求項9の何れかに記載の誘電体組成物。
- セラミックシート内部電極が印刷された複数のセラミックグリーンシートが積層されたセラミック積層体の内部に、
複数の誘電体層、前記誘電体層の間に形成され前記セラミックシート内部電極と電気的に連結された複数のキャパシタ内部電極を含み、
前記誘電体層は、BaTiO3及び組成式aBi2O3−bB2O3−cSiO2−dBaO−eTiO2を有し、式中、a、b、c、d、及びeはa+b+c+d+e=100、40≦a≦89、10≦b≦50、1≦c≦20、0≦d≦10、0≦e≦10であるガラス組成物を含むことを特徴とする誘電体組成物を含むことを特徴とする積層セラミックキャパシタを内蔵することを特徴とする積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板。 - 前記セラミックシート内部電極は、AgまたはCuのいずれか一つの金属を含むことを特徴とする請求項11に記載の積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板。
- 焼成温度は、600℃乃至900℃であることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の積層セラミックキャパシタ内蔵型低温同時焼成セラミック基板。
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