JP2010098023A - セラミックス電子部品とこれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス電子部品の周波数特性の劣化を抑制する。
【解決手段】セラミックスからなる複数の誘電体層９を積層して形成された誘電体１０と、複数の誘電体層９間に形成された内部電極１１と、誘電体１０の表面に形成された外部電極１２と、外部電極１２の表面に形成されたメッキ１３と、外部電極１２と誘電体１０との界面に配置されたＢｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｖのうちいずれか一つの元素を主成分とする中間層１４とを備え、誘電体層９は、中間層１４の主成分となる元素を含むことを特徴とする。上記構成により、焼成工程において、中間層１４を構成する元素が誘電体１０の内部に拡散することを抑制し、中間層１４の層厚を十分に得ることができる。その結果、セラミックス電子部品８をメッキ液に浸漬する際、メッキ液が、セラミックス電子部品８の内部に侵入することを防止し、セラミックス電子部品８の周波数特性の劣化を抑制するのである。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器に用いられるセラミックス電子部品とこれを用いた電子機器に関する。

従来から、携帯通信用や近距離無線通信用の高周波モジュールにセラミックス電子部品が搭載されている。図３に従来のセラミックス電子部品の構成を示す。

図３において、従来のセラミックス電子部品１は、セラミックスからなる複数の誘電体層２を積層して形成された誘電体３と、複数の誘電体層２間に形成された内部電極４と、誘電体３の外面に形成された外部電極５と、外部電極５の外面に形成されたメッキ６と、外部電極５と誘電体３との界面に形成されたＢｉを含む中間層７とを備える。

この中間層７により、製造工程において外部電極５と誘電体３との界面にメッキ液が侵入することを防止していた。

なお、この出願に関する先行技術文献としては、例えば、特許文献１、または特許文献２が知られている。
特開２０００−４０６３５号公報 特開平５−１４４３１７号公報

しかしながら、このような従来のセラミックス電子部品１の焼成工程において、中間層７を構成するＢｉが誘電体３の内部に拡散してしまい、中間層７の層厚が十分に得られないという課題があった。この為、セラミックス電子部品１をメッキ液に浸漬した際、メッキ液が、セラミックス電子部品１の内部に侵入し、セラミックス電子部品１の周波数特性が劣化するという問題があった。

そこで本発明は、セラミックス電子部品の周波数特性の劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のセラミックス電子部品は、セラミックスからなる複数の誘電体層を積層して形成された誘電体と、複数の誘電体層間に形成された内部電極と、内部電極に電気的に接続されると共に誘電体の外面に形成された外部電極と、外部電極の外面に形成されたメッキと、外部電極と前記誘電体との界面に形成されたＢｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｖのうちいずれか一つの元素を主成分とする中間層とを備え、誘電体層は、中間層の主成分となる元素を含むことを特徴とする。

上記構成により、本発明のセラミックス電子部品は、焼成工程において、中間層を構成する元素が誘電体の内部に拡散することを抑制し、中間層の層厚を十分に得ることができる。その結果、セラミックス電子部品をメッキ液に浸漬した際、メッキ液が、セラミックス電子部品の内部に侵入することを防止し、セラミックス電子部品の周波数特性の劣化を抑制するのである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１のセラミックス電子部品について、図面を用いて説明する。図１は、実施の形態１のセラミックス電子部品の断面模式図である。

図１において、セラミックス電子部品８は、セラミックスからなる複数の誘電体層９を積層して形成された誘電体１０と、複数の誘電体層９間に形成された内部電極１１と、内部電極１１に電気的に接続されると共に誘電体１０の表面に形成された外部電極１２と、外部電極１２の表面に形成されたメッキ１３と、外部電極１２と誘電体１０との界面に形成されたＢｉ等を含む中間層１４とを備える。

尚、このセラミックス電子部品８を搭載した電子機器は、外部電極１２に接続されて復調機能やデコード機能等を有する半導体集積回路（図示せず）と、この半導体集積回路に接続されたスピーカ、液晶画面等の再生部（図示せず）を備える。

誘電体１０は、ガラスセラミックスなど１０００℃までの低温で焼結できる材質から成るが、ガラスセラミックス以外のセラミックス材料でも構わない。ガラスセラミックスは、低温で焼結が可能で、内部電極１１としてＡｇやＣｕなどの高周波特性の優れた金属を用いることができるという長所がある。また、ビアや配線パターンなどの内部電極１１により、共振器、コンデンサ、インダクタなどの機能部品が誘電体１０の内部に三次元的に構成される。さらに、この機能部品は、外部電極１２により外部に接続される。この誘電体１０は、一般的に、均一な組成のものを用いるが、一部の層に他の層より誘電率の高いものや透磁率の大きいものを用いても良い。

外部電極１２は、半田を用いてマザーボード（図示せず）に電気的に接続される。この外部電極１２の材料として、例えば、ＡｇやＣｕといった低抵抗導体を用いる。外部電極１２がＡｇやＣｕの場合、外部電極１２の半田喰われ（電極材の半田への溶出）を防止するために、外部電極１２の表面にメッキ１３が形成される。

このメッキ１３は、例えば、外部電極１２の外面に半田喰われ防止の為に形成されたＮｉ層と、このＮｉ層の外面に半田濡れ性向上の為に形成されたＡｕ層、又はＳｎ層を有する。また、メッキ１３は、Ｎｉ層とＡｕ層との間にＮｉ層とＡｕ層の界面密着性を向上させる為に形成されたＰｄ層を有しても良い。

中間層１４は、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｖのうちいずれか一つの元素を主成分とし、メッキ浸漬工程において外部電極１２と誘電体１０との界面にメッキ液が侵入することを抑制する。即ち、誘電体１０と外部電極１２の界面近傍では、誘電体１０と外部電極１２との焼成収縮挙動の違いや熱膨張係数の差異から生じる残留応力が内在する為、中間層１４がなければ、誘電体１０と外部電極１２の界面近傍がメッキ液に侵食され、フィルタ通過帯域が大きくシフトし、所定のフィルタ特性が得られなくなってしまう。そこで、外部電極１２と誘電体１０との界面に中間層１４を形成することにより、外部電極１２と誘電体１０の界面の密着性を良好に保つことができ、メッキ浸漬工程におけるメッキ液の侵入から生じるフィルタ特性の悪化を防止することができるのである。

上記のような中間層１４を形成する手法としては、焼成過程で導体金属粉末の焼結に伴い、界面に排出され、酸化物として偏析するような、液相生成成分（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、またはＶなどの酸化物）をあらかじめ導体ペースト中に均質に含有させておく手法が一般的であるが、導体ペースト塗布前に、上記液相生成成分を主原料とするペーストを塗布しておくことでも形成可能である。また誘電体１０となるガラスセラミックスの焼成時に、本来の緻密化温度よりも若干高い温度で焼成する（過焼成する）ことにより、ガラスセラミックス中の液相生成成分を外部電極１２となる導体と誘電体１０の界面に偏析させることでも形成することができる。

さらに、上記のセラミックス電子部品８は、誘電体層９が中間層１４主成分となる元素を含むことを特徴とする。例えば、中間層１４が、Ｂｉを主成分としている場合、誘電体層９は、Ｂｉを含む。

上記構成により、本実施の形態１のセラミックス電子部品８は、焼成工程において、中間層１４を構成する元素が誘電体１０の内部に拡散することを抑制し、中間層１４の層厚を十分に得ることができる。その結果、セラミックス電子部品８をメッキ液に浸漬する際、メッキ液が、セラミックス電子部品８の内部に侵入することを防止し、セラミックス電子部品８の周波数特性の劣化を抑制するのである。なお、この中間層は膜厚０．１μｍ以上の均質層として、極力連続的に形成されていることがより望ましいが、非連続的、部分的に中間層が形成されていても、セラミックス電子部品をメッキ液に浸漬した際、メッキ液の部品内部への侵入を有効に阻止できるものである。

また、中間層１４は、中間層１４の主成分となる元素の酸化物を含むことが望ましい。例えば、中間層１４の主成分がＢｉの場合、中間層１４はＢｉ₂Ｏ₃を含む。このように、結晶質である酸化物を含むことにより、セラミックス電子部品８をメッキ液に浸漬する際、誘電体１０と中間層９との界面において耐薬性が向上するのである。

尚、外部電極１２は、実質的にガラス成分を含まないことが望ましい。これにより、中間層１４に外部電極１２からガラス成分が析出しないので、セラミックス電子部品８をメッキ液に浸漬する際、誘電体１０と中間層１４との界面において耐薬性が向上するのである。

以下、本実施の形態１のセラミックス電子部品８の比較実験について説明する。

誘電体層９を構成する第１成分であるガラスセラミックス作製の原料として、高純度（９９重量％）のＢａＣＯ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、およびＢｉ₂Ｏ₃を用いる。ガラスセラミックスの組成をｘＢａＯ−ｙＮｄ₂Ｏ₃−ｚＴｉＯ₂−ｗＢｉ₂Ｏ₃で（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１００、ｘ、ｙ、ｚ、ｗは各々モル比）で表した場合、１２≦ｘ≦１６、１２≦ｙ≦１６、６５≦ｚ≦６９、２≦ｗ≦５の組成範囲であることが好ましい。なお、ここでは希土類としてＮｄ₂Ｏ₃を使用したが、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃等、他の希土類酸化物を使用してもよい。またＮｄの一部を他の希土類元素で置換することも可能である。上記粉末と純水とを、ボールミル中で１８時間混合後、スラリーを乾燥し、アルミナ坩堝中、１２００〜１４００℃で２時間仮焼した。この仮焼粉末を解砕した後、ボールミルで粉砕、乾燥させ、第１成分の粉末とした。更に、比較としてｘＢａＯ−ｙＮｄ₂Ｏ₃−ｚＴｉＯ₂（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、ｘ、ｙ、ｚ、は各々モル比、１３≦ｘ≦１７、１３≦ｙ≦１７、６８≦ｚ≦７２）の仮焼粉末も、上記同様の手法にて作製した。

次に第２成分として上記仮焼粉末に添加する助剤成分について述べる。上記仮焼粉末に、ガラスおよび酸化物の焼結助剤粉末を添加、混合することで、１０００℃以下の低温域で焼結可能なガラスセラミックス粉末を得た。その混合比率を、（表１）に示す。添加したガラス粉末は、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＲＯ−Ｌａ₂Ｏ₃系ガラス（Ｒはアルカリ土類金属）であり、ＳｉＯ₂が３３〜４６重量％、Ｂ₂Ｏ₃が２〜８重量％、ＲＯ（特にはＢａＯ）が２０〜４０重量％、Ｌａ₂Ｏ₃が８〜１２重量％の組成であることが好ましい。上記以外にＡｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、アルカリ金属酸化物等を含有してもよい。ガラス組成を上記範囲にすることにより、焼成中に結晶化し、中間層１４としてＢａＳｉ₂Ｏ₅等の結晶相が析出し易くなり、焼成後の材料のＱ値が高くなるのみならず、Ｌａ含有により高温でのガラス融液の流動性が高まり、液相焼結が促進される効果がある。なお、ここでは一例として上記ガラス組成系を示したが、これ以外の組成系のガラス粉末であっても、類似の効果が得られるものであれば使用可能である。

上記第１成分、第２成分よりなる混合粉砕粉末にポリビニルブチラールやアクリル樹脂等のバインダ、ジブチルフタレート等の可塑剤、および有機溶剤を加えて、混合、分散してスラリーとし、ドクターブレード法やダイコーティング法等によりＰＥＴフィルム等のベースフィルム上に前記スラリーを塗布することで誘電体層９となるセラミックスグリーンシートを作製した。上記セラミックスグリーンシート上にＡｇペーストをスクリーン印刷して所望の電極パターンを形成し、これらを所望枚数積層、熱圧着することで内層もしくは表層に内部電極１１となる電極パターンを有するグリーンシート積層体を得た。この積層体を切断により個片化し、これを９００〜９４０℃で焼成することによって、焼成後寸法が横２．０ｍｍ、縦１．２５ｍｍ、厚み０．８ｍｍのセラミックス積層体を形成した。この両端部にローラー転写等の手法を用いて、Ａｇペーストを塗布し、更に８５０〜９２０℃で焼成することにより、外部電極１２を形成し、セラミックス積層部品を得た。その際使用したＡｇペースト中の無機粉末の混合比率を（表２）に示す。なお、このセラミックス電子部品８は、内部電極１１からなるストリップラインを相互に電磁界結合させることでバンドパスフィルタとして機能するものである。

上記セラミックス積層部品の周波数特性をネットワークアナライザーを用いて測定し、２．４０〜２．５５ＧＨｚ帯における挿入損失が２．７５ｄＢ以下の部品を選別した。その選別した部品より、無作為に３〜５個を抽出し、これらを硬化樹脂中に埋め込み、断面鏡面研磨した後、ＳＥＭにて外部電極１２と誘電体１０との界面を高倍観察した。その界面において、０．２μｍ以上の中間層１４が形成されている部位があるか否かを判別した結果を、（表３）に示す。

上記の選別した部品５００〜６００個に電解メッキ処理を施すことにより、外部電極１２上に、順にＮｉ層、Ｓｎ層とからなる２層のメッキ１３を形成した。その後、メッキ１３の形成済の部品全数について、周波数特性を再度測定し、上述と同様、所定周波数帯における挿入損失が２．７５ｄＢ以下の部品を選別し、所定周波数特性を満たさない（挿入損失が２．７５ＧＨｚを上回る）不良品の数量から、不良率（＝不良品数／測定全数）を算出した。その結果を（表３）に併せて示す。尚、（表３）におけるガラスセラミックスＮｏ（ナンバー）のサンプルは、誘電体層９として（表１）のＮｏ（ナンバー）のガラスセラミックスを用い、（表３）におけるペーストＮｏ（ナンバー）のサンプルは、外部電極１２として（表２）のＮｏ（ナンバー）のペースト材料を用いた。

（表３）よりＢｉ、Ｃｕといった液相生成成分を外部電極１２用Ａｇペーストに添加した場合において、特に誘電体層９に外部電極１２の液相生成成分と同一元素が含有されていれば、メッキ処理を施した後に顕著な不良率低減効果が見られることがわかる。これは、焼成工程において、中間層１４を構成する元素の誘電体１０の内部への拡散が効果的に抑制され、中間層１４の層厚を十分に得ることができるためである。なお、（表３）のＮｏ．９〜１２のサンプルは中間層が形成されているにもかかわらず、メッキ後の不良率において、良好な結果が得られていないが、これは形成された中間層が主にガラス成分よりなるため、界面の耐薬性が劣ることによるものと思われる。（表３）のＮｏ．１のサンプルの外部電極近傍のＳＥＭ写真を図２に示すが、界面に十分に中間層１４が形成されていることがわかる。その結果として、セラミックス電子部品８のメッキ後の周波数特性の劣化を抑制できたものと考えられる。

本発明にかかるセラミックス電子部品は、周波数特性の劣化が抑制されるという効果を有し、携帯電話等の電子機器において有用である。

本発明の一実施形態におけるセラミックス電子部品の断面模式図 本発明の一実施形態におけるセラミックス電子部品の外部電極近傍のＳＥＭ写真 従来のセラミックス電子部品の断面模式図

符号の説明

８ セラミックス電子部品
９ 誘電体層
１０ 誘電体
１１ 内部電極
１２ 外部電極
１３ メッキ
１４ 中間層

Claims (5)

1. セラミックスからなる複数の誘電体層を積層して形成された誘電体と、
   前記複数の誘電体層間に形成された内部電極と、
   前記内部電極に電気的に接続されると共に前記誘電体の外面に形成された外部電極と、
   前記外部電極の外面に形成されたメッキと、
   前記外部電極と前記誘電体との界面に形成されてＢｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｖのうちいずれか一つの元素を主成分とする中間層とを備え、
   前記誘電体層は、前記中間層の主成分となる元素を含むセラミックス電子部品。
2. 前記中間層は、前記中間層の主成分となる元素の酸化物を含む請求項１に記載のセラミックス電子部品。
3. 前記外部電極は、実質的にガラス成分を含まない請求項１に記載のセラミックス電子部品。
4. 前記中間層の主成分となる元素がＢｉの場合、
   前記誘電体は、ＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂−Ｂｉ₂Ｏ₃系セラミックスからなる請求項１に記載のセラミックス電子部品。
5. 請求項１に記載のセラミックス電子部品と、
   前記セラミックス電子部品に接続された半導体集積回路と、
   前記半導体集積回路に接続された再生部とを備えた電子機器。