JP2011108827A - 積層セラミックコンデンサの実装構造及び積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】基板のコンデンサ実装面積を大きくしたり、コンデンサを基板から浮かすように実装すること無く、基板に発生する振動音を低減することができる積層セラミックコンデンサの実装構造を提供する。
【解決手段】 積層セラミックコンデンサ１は、内部電極４Ａ，４Ｂが誘電体層３を介して交互に積層されてなるコンデンサ素体５を有している。コンデンサ１は、内部電極４Ａ，４Ｂが回路基板２の実装面２ａに対して平行となるように回路基板２のランド８に実装されている。また、コンデンサ１の高さ寸法をＴ、コンデンサ１の幅寸法をＷ、ランド８におけるコンデンサ１の幅寸法Ｗに対応する方向の寸法をＷ_ｐ、素体２の外装部６の厚みをＴ_ｆ、誘電体層３の比誘電率をε_ｒとしたときに、Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１、３００≦ε_ｒ≦２８００、０．６≦Ｗ_ｐ／Ｗ≦１．０を満足している。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサを基板に実装する積層セラミックコンデンサの実装構造及び積層セラミックコンデンサに関するものである。

従来における積層セラミックコンデンサの実装構造としては、例えば特許文献１，２に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の実装構造は、複数のセラミックコンデンサを回路基板上に並ぶように配置し、各セラミックコンデンサの誘電体層で発生して回路基板に伝達される振動がほぼ逆相関係となるように構成することにより、回路基板に発生する振動音を低減するというものである。

特許文献２に記載の実装構造は、コンデンサ本体の両端にそれぞれ断面Ｌ字形状の金属端子を取り付けてリップルコンデンサを構成し、コンデンサ本体を基板表面より浮かすように各金属端子を基板に半田付けすることにより、コンデンサ本体のリップルによる振動を直接基板に伝搬させないようにして振動音を抑圧するというものである。

特開２００２−２３２１１０号公報 特開２００４−１５３１２１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のものでは、複数のセラミックコンデンサを回路基板に実装する必要があるため、回路基板のコンデンサ実装面積が全体的に大きくなってしまう。また、上記特許文献２に記載のものでは、コンデンサ本体を基板表面から浮かすようにリップルコンデンサを基板に実装するため、リップルコンデンサの高さ寸法が大きくならざるを得ず、高さ方向に制限のある実装構造には不向きである。

本発明の目的は、基板のコンデンサ実装面積を大きくしたり、コンデンサを基板から浮かすように実装すること無く、基板に発生する振動音を低減することができる積層セラミックコンデンサの実装構造及び積層セラミックコンデンサを提供することである。

本発明者等は、積層セラミックコンデンサを基板に実装した際に生じる振動音について鋭意追究を重ねた結果、コンデンサの幅寸法と基板のランドにおけるコンデンサの幅寸法に対応する寸法との関係、コンデンサの高さ寸法と素体の外装厚みとの関係、誘電体層の比誘電率、基板の実装面に対する内部電極の配置方向を適切に規定することにより、振動音の発生を低減することができるという事実を見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は、複数の誘電体層と複数の内部電極とが交互に積層されてなる素体を有する積層セラミックコンデンサを、少なくとも２つのランドが実装面に設けられた基板に実装する積層セラミックコンデンサの実装構造であって、積層セラミックコンデンサは、内部電極が実装面に対して平行となるように２つのランドに実装されており、積層セラミックコンデンサの高さ寸法をＴ、素体の外装厚みをＴ_ｆ、誘電体層の比誘電率をε_ｒとしたときに、Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１、３００≦ε_ｒ≦２８００を満たし、積層セラミックコンデンサの幅寸法をＷ、ランドにおける積層セラミックコンデンサの幅寸法に対応する方向の寸法をＷ_ｐとしたときに、０．６≦Ｗ_ｐ／Ｗ≦１．０を満たすことを特徴とするものである。

このように本発明の積層セラミックコンデンサの実装構造においては、内部電極が基板の実装面に対して平行となるように積層セラミックコンデンサを実装することにより、内部電極が基板の実装面に対して垂直となるように積層セラミックコンデンサを実装する場合に比べて、積層セラミックコンデンサで生じた振動が基板に伝わりにくくなると推測される。また、積層セラミックコンデンサの高さ寸法Ｔと素体の外装厚みＴ_ｆとの比率（Ｔ_ｆ／Ｔ）を０．１よりも大きくすることによっても、積層セラミックコンデンサで生じた振動が基板に伝わりにくくなると推測される。また、誘電体層の比誘電率ε_ｒを３００以上かつ２８００以下とすることにより、積層セラミックコンデンサの容量が確保されると共に、積層セラミックコンデンサで生じた振動が基板に伝わりにくくなると推測される。さらに、積層セラミックコンデンサの幅寸法Ｗとランドにおける積層セラミックコンデンサの幅寸法に対応する方向の寸法Ｗ_ｐとの比率（Ｗ_ｐ／Ｗ）を０．６以上かつ１．０以下とすることにより、積層セラミックコンデンサとランドとの接合強度が確保されると共に、積層セラミックコンデンサで生じた振動が基板に伝わりにくくなると推測される。以上により、複数の積層セラミックコンデンサを基板に実装するために基板のコンデンサ実装面積を大きくしたり、積層セラミックコンデンサを基板から浮かすように基板に実装しなくても、基板に発生する振動音を低減することができる。

積層セラミックコンデンサの長さ寸法をＬ、２つのランドの外側端間の距離をＬ_ｄとしたときに、Ｌ_ｄ／Ｌ＞１．０を満たすことが好ましい。この場合には、積層セラミックコンデンサとランドとの接合強度が十分に確保される。

また、本発明は、複数の誘電体層と複数の内部電極とが交互に積層されてなる素体を有する積層セラミックコンデンサであって、高さ寸法をＴ、素体の外装厚みをＴ_ｆ、誘電体層の比誘電率をε_ｒとしたときに、Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１、３００≦ε_ｒ≦２８００を満たすことを特徴とするものである。

このような本発明の積層セラミックコンデンサを基板に実装する際に、積層セラミックコンデンサの幅寸法をＷ、基板のランドにおける積層セラミックコンデンサの幅寸法に対応する方向の寸法をＷ_ｐとしたときに、０．６≦Ｗ_ｐ／Ｗ≦１．０を満たすようなランドを有する基板を使用することにより、上述したように、複数の積層セラミックコンデンサを基板に実装するために基板のコンデンサ実装面積を大きくしたり、積層セラミックコンデンサを基板から浮かすように基板に実装しなくても、基板に発生する振動音を低減することができる。

本発明によれば、基板のコンデンサ実装面積を大きくしたり、積層セラミックコンデンサを基板から浮かすように実装すること無く、基板に発生する振動音を低減することができる。これにより、不快な振動音が抑圧された高品質の電気機器を提供することが可能となる。

本発明に係わる積層セラミックコンデンサの実装構造の一実施形態を示す断面図である。 図１に示した積層セラミックコンデンサの実装構造の分解斜視図である。 誘電体層の比誘電率ε_ｒと音鳴き及び容量との関係についての評価結果を示す表である。 Ｔ_ｆ／Ｔ比と音鳴き及び容量との関係についての評価結果を示す表である。 回路基板に対する内部電極の配置方向と音鳴き及び容量との関係についての評価結果を示す表である。 Ｗ_ｐ／Ｗ比と音鳴き及び固着強度との関係についての評価結果を示す表である。 積層セラミックコンデンサの固着強度を評価する方法を示す概略図である。

以下、本発明に係わる積層セラミックコンデンサの実装構造及び積層セラミックコンデンサの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる積層セラミックコンデンサの実装構造の一実施形態を示す断面図であり、図２は、図１に示した積層セラミックコンデンサの実装構造の分解斜視図である。各図において、本実施形態に係わる積層セラミックコンデンサ１は、回路基板２に実装される。

積層セラミックコンデンサ１は、複数の誘電体層３、複数の内部電極４Ａ及び複数の内部電極４Ｂからなる直方体状のコンデンサ素体５を有している。コンデンサ素体５は、内部電極４Ａ，４Ｂが誘電体層３を介して交互に積層されてなる構造を有している。内部電極４Ａは、コンデンサ素体５の一端面に引き出されており、内部電極４Ｂは、コンデンサ素体５の他端面に引き出されている。コンデンサ素体５の上部には、複数の誘電体層３が直接積層されてなる外装部（フタ部）６が形成されている。

誘電体層３は、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を主成分とする層であり、ＢａＴｉＯ_３を含むセラミックグリーンシートを焼成して形成される。内部電極４Ａ，４Ｂは、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ、ＣｕあるいはＣｕ合金を主成分とする金属材料で形成されている。

コンデンサ素体５の一端側には、各内部電極４Ａと電気的に接続される端子電極７Ａが設けられている。端子電極７Ａは、コンデンサ素体５の一端面とコンデンサ素体５の各側面の一端部分とを覆うように形成されている。コンデンサ素体５の他端側には、各内部電極４Ｂと電気的に接続される端子電極７Ｂが設けられている。端子電極７Ｂは、コンデンサ素体５の他端面とコンデンサ素体５の各側面の他端部分とを覆うように形成されている。

端子電極７Ａは、特に図示はしないが、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇを主成分とする基部層と、この基部層上に形成されたＮｉめっき層と、このＮｉめっき層上に形成されたＳｎめっき層とからなる３層構造を有している。

回路基板２の実装面２ａには、１対の矩形状のランド（パッド）８が形成されている。積層セラミックコンデンサ１は、端子電極７Ａ，７Ｂが各ランド８に電気的及び機械的に接続（接合）されるように半田付けで実装される。このとき、例えばメタルマスクを用いて各ランド８にクリーム半田を塗布した状態で、積層セラミックコンデンサ１を各ランド８上に載せ、その後で回路基板２をリフロー炉に通炉することで半田を溶融固定する。

以上のような積層セラミックコンデンサ１の実装構造において、積層セラミックコンデンサ１の端子電極７Ａ，７Ｂに交流電圧を印加すると、積層セラミックコンデンサ１が電歪振動を起こし、この振動が回路基板２に伝わり、積層セラミックコンデンサ１の振動と回路基板２の振動とが共振して共振音（振動音）が発生することがある。

そこで、本実施形態では、そのような不具合を回避するために、回路基板２の実装面２ａに対する内部電極４Ａ，４Ｂの配置方向、積層セラミックコンデンサ１の寸法とランド８の寸法及び位置との関係、誘電体層３の比誘電率を以下のように規定している。

即ち、積層セラミックコンデンサ１は、内部電極４Ａ，４Ｂが回路基板２の実装面２ａに対して平行に配置されるように各ランド８に実装されている。このとき、例えば積層セラミックコンデンサ１の上下面にマーキングを施しておき、積層セラミックコンデンサ１を回路基板２に実装する際にマーキングを読み取ることで、内部電極４Ａ，４Ｂを容易に且つ確実に回路基板２の実装面２ａに対して平行に配置することができる。

また、積層セラミックコンデンサ１の高さ寸法をＴ、積層セラミックコンデンサ１の幅寸法をＷ、ランド８における積層セラミックコンデンサ１の幅寸法Ｗに対応する方向の寸法をＷ_ｐ、素体２の外装部６の厚みをＴ_ｆ、誘電体層３の比誘電率をε_ｒとしたときに、
Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１ …（Ａ）
３００≦ε_ｒ≦２８００ …（Ｂ）
０．６≦Ｗ_ｐ／Ｗ≦１．０ …（Ｃ）
を満足している。

また、積層セラミックコンデンサ１と回路基板２との固着強度を高めるためには、積層セラミックコンデンサ１の長さ寸法をＬ、各ランド８の外側端間の距離をＬ_ｄとしたときに、
Ｌ_ｄ／Ｌ＞１．０
を満足することが好ましい。

次に、上記の各種パラメータや内部電極の配置方向を種々変えて実験を行い、積層セラミックコンデンサの実装構造を評価した結果について説明する。

なお、実験で使用した積層セラミックコンデンサの寸法は、長さＬ：３．２ｍｍ×幅Ｗ：２．５ｍｍである。高さ寸法Ｔについては、２．７ｍｍ以下の範囲で種々変えている。また、回路基板としては、寸法が長さ：１００ｍｍ×幅：４０ｍｍ×厚み：１．６ｍｍであり、材質がＦＲ４であるものを使用した。

（１）誘電体層の比誘電率ε_ｒと音鳴き及び容量との関係
図３に示すように、Ｔ_ｆ／Ｔ比を０．１２８とし、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行とすると共に、誘電体層の比誘電率ε_ｒを２５０〜３０００の範囲で種々変えて、回路基板に発生する音圧を測定して音鳴き（共振音）を評価し、更に積層セラミックコンデンサの容量を評価した。

音圧測定方法としては、ＦＡＶ−３簡易型無響箱（国洋電気工業製）、信号発生器、確認用のオシロスコープ及び解析ソフトＤＳ−０２２１（小野測器製）を用い、無響箱内にマイク及びサンプル（コンデンサが実装された回路基板）を入れ、サンプルをマイクから５ｃｍ離して配置した状態で、信号発生器によって周波数：１ｋＨｚ、０．５ｋＨｚ刻み、ＤＣバイアス：２０Ｖという発振条件で交流電圧を印加し、その時に回路基板に発生する音圧を測定した。

このときの測定・評価結果は、図３に示す通りである。誘電体層の比誘電率ε_ｒが高くなるに従って、音圧が高くなっている。この理由としては、誘電体層の比誘電率ε_ｒが高くなるほど、コンデンサから回路基板に振動が伝わり易くなるためであると考えられる。なお、音圧の評価基準としては、５０ｄＢ未満を「○」、５０ｄＢ以上６０ｄＢ未満を「△」、６０ｄＢ以上を「×」としている。図３に示す結果から、回路基板に生じる音鳴きを抑制するためには、誘電体層の比誘電率ε_ｒを２８００以下とするのが効果的であることが分かる。また、図３に示す結果から、必要最低限のコンデンサ容量を確保するためには、誘電体層の比誘電率ε_ｒを３００以上とするのが効果的であることが分かる。以上により、上記の（Ｂ）式が導き出される。

（２）Ｔ_ｆ／Ｔ比と音鳴き及び容量との関係
図４に示すように、誘電体層の比誘電率ε_ｒを２１５０とし、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行とすると共に、積層セラミックコンデンサの高さ寸法Ｔを２３００〜２７００μｍの範囲で種々変え、素体の外装部の厚みＴ_ｆを２２０〜４２０μｍの範囲で種々変えることで、Ｔ_ｆ／Ｔ比を種々変えて、回路基板に発生する音圧を測定して音鳴きを評価し、更に積層セラミックコンデンサの容量を評価した。

このときの測定・評価結果は、図４に示す通りである。Ｔ_ｆ／Ｔ比が高くなるに従って、音圧が低くなっている。この理由としては、素体の外装部の厚みＴ_ｆが厚くなるほど、コンデンサから回路基板に振動が伝わりにくくなるためであると考えられる。なお、音圧の評価基準は、上記と同様である。図４に示す結果から、回路基板に生じる音鳴きを抑制するためには、Ｔ_ｆ／Ｔ比を０．１よりも大きくするのが効果的であることが分かる。つまり、上記の（Ａ）式が導き出される。

（３）回路基板に対する内部電極の配置方向と音鳴き及び容量との関係
図５に示すように、誘電体層の比誘電率ε_ｒを２５００，２１５０，２４００とし、Ｔ_ｆ／Ｔ比を０．０７１，０．１２８，０．０６０とすると共に、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行にした場合と、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して垂直にした場合とで、回路基板に発生する音圧を測定して音鳴きを評価し、更に積層セラミックコンデンサの容量を評価した。

このときの測定・評価結果は、図５に示す通りである。３つの条件いずれについても、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行にした場合は、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して垂直にした場合に比べて音圧が低くなっている。この理由としては、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行にすると、コンデンサから回路基板に振動が伝わりにくくなるためであると考えられる。なお、音圧の評価基準は、上記と同様である。図５に示す結果から、回路基板に生じる音鳴きを抑制するためには、内部電極が回路基板の実装面に対して平行となるようにコンデンサを回路基板に実装するのが効果的であることが分かる。

（４）Ｗ_ｐ／Ｗ比と音鳴き及び固着強度との関係
図６に示すように、内部電極の配置方向を回路基板の実装面に対して平行とすると共に、ランドにおけるコンデンサの幅寸法Ｗに対応する方向の寸法Ｗ_ｐを１２５０〜３３００μｍの範囲で種々変えることで、Ｗ_ｐ／Ｗ比を種々変えて、回路基板に発生する音圧を測定して音鳴きを評価し、更に回路基板に対するコンデンサの固着強度を評価した。このとき、誘電体層の比誘電率ε_ｒは２１５０、層間厚みは４．０μｍ、層数は３４０、コンデンサの幅寸法Ｗは２５００μｍである。

固着強度試験を行うときは、例えば図７に示すように、コンデンサ１１を回路基板１２に実装した状態で、超硬の加圧治具１３をコンデンサ１１の側面に向けて３０mm／minの速度で移動させて、加圧治具１３によりコンデンサ１１を加圧する。このとき、１０Ｎの荷重でコンデンサ１１が破壊するか否かによって固着強度を評価する。

このときの測定・評価結果は、図６に示す通りである。Ｗ_ｐ／Ｗ比が１．０を越えると、音圧が高くなっている。この理由としては、Ｗ_ｐ／Ｗ比が高くなるに従って、コンデンサから回路基板に振動が伝わり易くなるためであると考えられる。なお、音圧の評価基準は、上記と同様である。図６に示す結果から、回路基板に生じる音鳴きを抑制するためには、ランドの寸法Ｗ_ｐを１．０以下にするのが効果的であることが分かる。また、図６に示す結果から、回路基板に対するコンデンサの最低限の固着強度を確保するためには、Ｗ_ｐ／Ｗ比を０．６以上とするのが効果的であることが分かる。以上により、上記の（Ｃ）式が導き出される。

以上のように本実施形態にあっては、内部電極４Ａ，４Ｂが回路基板２の実装面２ａに対して平行となるように積層セラミックコンデンサ１を回路基板２の各ランド８に実装すると共に、上記の（Ａ）式〜（Ｃ）式を満足するようにしたので、積層セラミックコンデンサ１の容量、積層セラミックコンデンサ１と回路基板２との固着強度を確保しつつ、回路基板２に発生する不快共振音（音鳴き）を低減することができる。これにより、音鳴きを抑圧するために、回路基板２のコンデンサ実装面積を大きくして多くの積層セラミックコンデンサ１を実装したり、或いは金属端子を用いて積層セラミックコンデンサ１を実装面２ａから浮かすように回路基板２に実装しなくて済む。その結果、積層セラミックコンデンサ１の積層構造を小型化することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、回路基板２の実装面２ａに設けられるランド８の形状を矩形状としたが、ランド８の形状としては、略矩形状や円形状等であっても良い。

１…積層セラミックコンデンサ、２…回路基板、２ａ…実装面、３…誘電体層、４Ａ，４Ｂ…内部電極、５…コンデンサ素体、６…外装部、８…ランド。

Claims (3)

1. 複数の誘電体層と複数の内部電極とが交互に積層されてなる素体を有する積層セラミックコンデンサを、少なくとも２つのランドが実装面に設けられた基板に実装する積層セラミックコンデンサの実装構造であって、
   前記積層セラミックコンデンサは、前記内部電極が前記実装面に対して平行となるように前記２つのランドに実装されており、
   前記積層セラミックコンデンサの高さ寸法をＴ、前記素体の外装厚みをＴ_ｆ、前記誘電体層の比誘電率をε_ｒとしたときに、Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１、３００≦ε_ｒ≦２８００を満たし、
   前記積層セラミックコンデンサの幅寸法をＷ、前記ランドにおける前記積層セラミックコンデンサの幅寸法に対応する方向の寸法をＷ_ｐとしたときに、０．６≦Ｗ_ｐ／Ｗ≦１．０を満たすことを特徴とする積層セラミックコンデンサの実装構造。
2. 前記積層セラミックコンデンサの長さ寸法をＬ、前記２つのランドの外側端間の距離をＬ_ｄとしたときに、Ｌ_ｄ／Ｌ＞１．０を満たすことを特徴とする請求項１記載の積層セラミックコンデンサの実装構造。
3. 複数の誘電体層と複数の内部電極とが交互に積層されてなる素体を有する積層セラミックコンデンサであって、
   高さ寸法をＴ、前記素体の外装厚みをＴ_ｆ、前記誘電体層の比誘電率をε_ｒとしたときに、Ｔ_ｆ／Ｔ＞０．１、３００≦ε_ｒ≦２８００を満たすことを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
   
   
   

Images