JP2011132056A - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高誘電率であり、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しつつ、ＤＣバイアス特性およびＤＣエージング特性に優れた積層セラミックコンデンサを提供する。
【解決手段】 誘電体層５が、チタン酸バリウム１００モルに対して、バナジウムを０〜０．１モル、マグネシウムを０．５〜１．２モル、イットリウム，ジスプロシウム，ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を０．５〜１．０モルおよびマンガンを０〜０．２モル含有する誘電体磁器からなるとともに、結晶構造が正方晶系のコア部９ａと、該コア部９ａを取り囲み前記バナジウム、前記マグネシウム、前記希土類元素および前記マンガンのうち少なくとも１種の添加成分が固溶しており結晶構造が立方晶系のシェル部９ｂとからなり、該シェル部９ｂの平均厚みｔが５〜１５ｎｍであるとともに、前記結晶粒子の平均粒径が０．１５〜０．４μｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子によって構成され、薄層化が可能な積層セラミックコンデンサに関する。

従来より、積層セラミックコンデンサの誘電体材料には、比誘電率が高いという理由によりチタン酸バリウムが用いられており、また、積層セラミックコンデンサの内部電極層には、安価な卑金属（Ｎｉなど）が用いられている。チタン酸バリウムを主成分とする誘電体層と内部電極層とを同時に焼成する場合、Ｎｉを酸化させないために酸素分圧を低くする（１３００℃で０．０３Ｐａ以下）必要がある。この場合、誘電体層が還元され絶縁性が低下し、実用的な特性が得られなくなるという問題がある。

そこで、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性（またはＪＩＳ規格Ｂ特性）の場合、誘電体材料として、例えばチタン酸バリウムを主成分とし、これに希土類元素の酸化物や、Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ等のアクセプタ型、ドナー型元素の化合物を添加した、耐還元性の誘電体磁器組成物が使用されている。チタン酸バリウムに、このような複数の添加成分を固溶させた誘電体の結晶粒子（例えばＢａＴｉＯ_３）は、結晶構造が正方晶系のコア部（通常は純粋なＢａＴｉＯ_３）と、コア部を取り囲み添加成分が固溶したシェル部とから構成されている（例えば、特許文献１を参照）。ここで、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性とは−５５〜８５℃の温度範囲において、２５℃を基準にしたときの静電容量の変化率が±１５％以内を示すものであり、ＪＩＳ規格Ｂ特性とは、−２５〜８５℃の温度範囲において、２０℃を基準にしたときの静電容量の変化率が±１０％以内を示すものをいう。

さらに、近年においては、電子回路の小型化、高密度化の流れに伴ない、積層セラミックコンデンサについても、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しつつ、小型大容量化が求められており、小型大容量化のために誘電体層の積層数の更なる増加とともに薄層化が進んでいる。

しかし、誘電体層を薄層化させると、１層あたりの電界強度が大きくなり、積層セラミックコンデンサは直流電圧を印加した際に静電容量が低下するという問題があった（ＤＣバイアス特性）。ここで、ＤＣバイアス特性とは、積層セラミックコンデンサに直流電圧を印加しないときの静電容量をＣ_０、直流電圧を印加したときの静電容量をＣ_１としたときに、（（Ｃ_０−Ｃ_１）／Ｃ_０）×１００（％））で表される特性のことである。

このため、積層セラミックコンデンサは、交流電圧とともに直流電圧を印加したときの実効的な静電容量が重視されてきており、これまでに積層セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性を高めるための改良が長年に亘って行われてきている（例えば、特許文献２〜５）。

特開２００１−２３０１５０号公報 特開２００１−３１６１７６号公報 特開２００６−１１１４６８号公報 特開２００８−１６２８１８号公報 特開２００９−２３８８８５号公報

ところが、積層セラミックコンデンサのこのような誘電体層の薄層化に伴う課題は、上述のような１層あたりの電界強度の増加に伴うＤＣバイアス特性の低下だけにとどまらず、積層セラミックコンデンサに直流電圧を継続して印加した場合に、静電容量が次第に低下していくという問題をも生じさせている（ＤＣエージング特性）。ここで、ＤＣエージング特性とは、積層セラミックコンデンサに一定の直流電圧を継続して印加したときの時間に対する静電容量の変化（低下）率のことである。

従って、本発明は、高誘電率であり、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しつつ、ＤＣバイアス特性およびＤＣエージング特性に優れた積層セラミックコンデンサを提供することを目的とする。

本発明の積層セラミックコンデンサは、複数の誘電体層とニッケルを導体材料とする複数の内部電極層とが交互に積層されたコンデンサ本体と、該コンデンサ本体の前記内部電極層が露出した端面に設けられた外部電極とを有する積層セラミックコンデンサであって、前記誘電体層が、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子と、該結晶粒子間に存在する粒界相とからなり、チタン酸バリウム１００モルに対して、バナジウムを０〜０．１モル、マグネシウムを０．５〜１．２モル、イットリウム，ジスプロシウム，ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を０．５〜１．０モルおよびマンガンを０〜０．２モル含有する誘電体磁器からなるとともに、前記結晶粒子は、結晶構造が正方晶系のコア部と、該コア部を取り囲み、前記バナジウム、前記マグネシウム、前記希土類元素および前記マンガンのうち少なくとも１種の添加成分が固溶しており結晶構造が立方晶系のシェル部とからなり、該シェル部の平均厚みが５〜１５ｎｍであるとともに、前記結晶粒子の平均粒径が０．１５〜０．４μｍであることを特徴とする。

上記積層セラミックコンデンサでは、前記誘電体磁器が前記マンガンを含有していないことが望ましい。

本発明によれば、高誘電率であり、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しつつ、ＤＣバイアス特性およびＤＣエージング特性に優れた積層セラミックコンデンサを得ることができる。

（ａ）は、本発明の積層セラミックコンデンサの一例を示す概略断面図であり、（ｂ）は、内部の拡大図である。 図２は、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層である誘電体磁器におけるチタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子の内部構造を示す断面模式図である。

本発明の積層セラミックコンデンサについて、図１の概略断面図をもとに詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の積層セラミックコンデンサの一例を示す概略断面図であり、（ｂ）は、内部の拡大図である。図２は、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層である誘電体磁器におけるチタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子の内部構造を示す断面模式図である。

この実施形態の積層セラミックコンデンサは、コンデンサ本体１の両端部に外部電極３が形成されている。外部電極３は、例えば、ＣｕもしくはＣｕとＮｉの合金ペーストを焼き付けて形成されている。

コンデンサ本体１は、誘電体磁器からなる誘電体層５と内部電極層７とが交互に積層され構成されている。図１では誘電体層５と内部電極層７との積層状態を単純化して示しているが、この実施形態の積層セラミックコンデンサは誘電体層５と内部電極層７とが数百層にも及ぶ積層体となっている。

誘電体磁器からなる誘電体層５は、結晶粒子９と粒界相１１とから構成されており、その厚みは３μｍ以下、特に、２μｍ以下が望ましく、これにより積層セラミックコンデンサを小型、高容量化することが可能となる。なお、誘電体層５の厚みが０．５μｍ以上であると静電容量の温度特性を安定化させることが可能になる。

内部電極層７は、高積層化しても製造コストを抑制できるとともに、誘電体層５との同時焼成が図れるという点でニッケル（Ｎｉ）が好適である。

この実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体層５を構成する誘電体磁器が、チタン酸バリウム１００モルに対して、バナジウムを０〜０．１モル、マグネシウムを０．５〜１．２モル、イットリウム，ジスプロシウム、ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を０．５〜１．０モルおよびマンガンを０〜０．２モル含有する誘電体磁器からなる。

また、この実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体層５を構成する誘電体磁器が、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子９と、該結晶粒子９間に存在する粒界相１１とからなり、結晶粒子９の平均粒径が０．１５〜０．４μｍである。

さらに、この実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体層５である誘電体磁器を構成する結晶粒子９が、正方晶系の結晶構造を有するコア部９ａと、コア部９ａを取り囲みバナジウム、マグネシウム、希土類元素およびマンガンのうち少なくとも１種の添加成分が固溶し、結晶構造が立方晶系のシェル部９ｂとからなり、このシェル部９ｂの平均厚みｔが５〜１５ｎｍである。

積層セラミックコンデンサが、上記組成および平均粒径の範囲を有し、かつ結晶粒子９の結晶構造が正方晶系のコア部９ａと立方晶系のシェル部９ｂとからなるコアシェル構造であり、シェル部９ｂの平均厚みｔが特定の範囲であると、積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層５の室温における比誘電率が３０００以上であるとともに、静電容量の温度特性がＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性（−５５〜８５℃の温度範囲において、２５℃を基準にしたときの静電容量の変化率が±１５％以内を示すもの）を満足するとともに、ＤＣバイアス特性（積層セラミックコンデンサに直流電圧を印加しないときの静電容量に対して、直流電圧を印加したときの静電容量の変化（低下）率）が−５０％以内であり、かつＤＣエージング特性（積層セラミックコンデンサに一定の直流電圧を継続して印加したときの時間に対する静電容量の変化（低下）率）が−２０％以内という優れた誘電特性を有する積層セラミックコンデンサとすることができる。

即ち、この実施形態の積層セラミックコンデンサにおける誘電体層５となる誘電体磁器に含まれる各元素の含有量は、バナジウムがチタン酸バリウム１００モルに対してＶ_２Ｏ_５換算で０．１モルより多いと、シェル部１１ｂの厚みが１５ｎｍよりも厚くなり、室温における比誘電率が３０００より低下する。

次に、チタン酸バリウム１００モルに対するマグネシウムの含有量がＭｇＯ換算で、０．５モルより少ないと、静電容量の温度特性がＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しなくなるとともに、ＤＣバイアス特性が−５０％より大きくなる。

一方、チタン酸バリウム１００モルに対するマグネシウムの含有量がＭｇＯ換算で、１．２モルより多いと、室温における比誘電率が３０００より低下するとともに、ＤＣエージング特性が−２０％より大きくなる。

次に、チタン酸バリウム１００モルに対する希土類元素の含有量がＲＥ_２Ｏ_３換算で、０．５モルより少ないと、静電容量の温度特性がＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しなくなるとともに、ＤＣバイアス特性が−５０％より大きくなる。

一方、チタン酸バリウム１００モルに対する希土類元素の含有量がＲＥ_２Ｏ_３換算で、１．０モルより多いと、シェル部９ｂの厚みが１５ｎｍよりも厚くなり、室温における比誘電率が３０００より低下するとともに、ＤＣバイアス特性が−５０％より大きくなる。

次に、チタン酸バリウム１００モルに対するマンガンの含有量がＭｎＯ換算で、０．３モルより多いと、シェル部９ｂの厚みが１５ｎｍよりも厚くなりＤＣエージング特性が−２０％より大きくなる。

そして、この実施形態の積層セラミックコンデンサでは、特に、誘電体層５となる誘電体磁器がマンガンを含有していないことが望ましい。本実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体磁器がマンガンを含有していない場合には、シェル部９ｂの厚みが６．５ｎｍ以下となり、これによりＤＣエージング特性を−９．０４％以下にすることができる。

つまり、この実施形態の積層セラミックコンデンサは、コアシェル構造を持つ結晶粒子９のシェル部９ｂの平均厚みが５〜１５ｎｍであることが重要であり、シェル部９ｂの平均厚みが５ｎｍよりも薄い場合には、室温における比誘電率は３０００以上であるものの、静電容量の温度変化率が±１５％より大きくなりＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しないものとなる。一方、シェル部９ｂの平均厚みが１５ｎｍより厚くなると、ＤＣエージング特性が−２０％を超えてしまう。

また、この実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体層５である誘電体磁器を構成する結晶粒子９の平均粒径が０．１５〜０．４μｍであることが重要である。結晶粒子９の平均粒径が０．１５μｍよりも小さいと、室温における比誘電率が３０００より低くなり、この場合、結晶粒子９の平均粒径が小さく、添加元素の拡散によりシェル部９ｂの平均厚みが１５ｎｍよりも厚くなってしまう場合には、ＤＣエージング特性が−２０％を超えてしまう。

この実施形態の積層セラミックコンデンサでは、所望の誘電特性を維持できる範囲であれば焼結性を高めるための助剤としてガラス成分や他の添加成分を誘電体磁器中に４質量％以下の割合で含有させてもよい。

本発明において、結晶粒子９のシェル部の厚みを測定する方法は、特開２００６−１３７６４７号公報に示されているＸ線回折法を用いた評価方法に基づいて、以下の式より求めることができる。

対象とする結晶粒子９の結晶構造は、測定したＸ線回折パターンにおいて、選択したＸ線回折パターンが純粋な正方晶（ｈ ｋ ｌ）または立方晶（ｈ' ｋ' ｌ'）の反射に比較してブロードになっており、ピーク位置の同定から正方晶（ｈ ｋ ｌ）および立方晶（ｈ' ｋ' ｌ'）の反射が含まれているものとする。

そして、対象とする回折データは、正方晶（ｈ ｋ ｌ）および立方晶（ｈ' ｋ' ｌ'）の反射であり、回折ピークから、ピーク強度（＝積分強度）、ピークトップの２θ位置、半値幅、ピークの形状関数等のパラメータを得る。その際、必要に応じて、ピーク分離を行う。この場合、ピーク分離の条件は、バックグラウンド関数：０次多項式、放射光：Ｋα１、プロファイル関数：the psedo-Voigt関数、半値幅：すべての反射に対し異なる半値幅、プロファイルの対象性：対象、およびデータ分解能：シャープ（最小半値幅：約０．１°）とする。なお、ピーク分離には市販ソフトを用いることができ、ピーク分離のためのツールは特に限定されるものではない。

また、結晶粒子９の平均粒径は、以下の手順で測定する。まず、焼成後のコンデンサ本体１である試料の破断面を研磨する。この後、研磨した試料を走査型電子顕微鏡を用いて内部組織の写真を撮り、その写真上で結晶粒子が５０〜１００個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択する。次いで、各結晶粒子の輪郭を画像処理して、各結晶粒子の面積を求め、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、その平均値より求める。

また、誘電体磁器の組成は、積層セラミックコンデンサを酸に溶解させた溶液をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）分析および原子吸光分析を用いて求められる。この場合、各元素の価数を周期表に示される価数として酸素量を求める。

次に、本発明の積層セラミックコンデンサを製造する方法について説明する。

まず、誘電体粉末をポリビニルブチラール樹脂などの有機樹脂やトルエンおよびアルコールなどの溶媒とともにボールミルなどを用いてセラミックスラリを調製し、次いで、セラミックスラリをドクターブレード法やダイコータ法などのシート成形法を用いて基材上にセラミックグリーンシートを形成する。セラミックグリーンシートの厚みは誘電体層５の高容量化のための薄層化、高絶縁性を維持するという点で１〜５μｍが好ましい。

本発明の積層セラミックコンデンサの製法で用いる誘電体粉末は、チタン酸バリウム粉末としてＢａＴｉＯ_３で表されるＢＴ粉末（Ｂａ／Ｔｉのモル比が１．００１〜１．００９）を用いる。また、ＢＴ粉末の平均粒径は０．１〜０．２μｍであることが望ましい。これにより誘電体層５の薄層化を容易にし、ＢＴ粉末として、後述する焼成条件により高誘電率であり、ＥＩＡ規格のＸ５Ｒ特性を満足しつつ、ＤＣバイアス特性およびＤＣエージング特性に適した結晶粒子９とすることが可能になる。

この実施形態の積層セラミックコンデンサを製造する際に用いる誘電体粉末は、後述のチタン酸バリウムを主成分とし、これに、バナジウム、マグネシウム、希土類元素、マンガンおよび焼結助剤の全成分を所定量被覆したものを用いる。

この場合、用いる誘電体粉末は以下のようにして調製する。まず、純度が９９．９％以上、Ｂａ／Ｔｉのモル比が１．００１〜１．００９であり、平均粒径が０．１〜０．２μｍであるチタン酸バリウム粉末（ＢＴ粉末）の懸濁液に、ｐＨ調整剤としてアンモニア水を用いて、ｐＨを６〜８の範囲とし、これに、リチウム水溶液、シリカゾル、炭酸バリウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、バナジン酸アンモニウム水溶液、酢酸マンガン水溶液およびイットリウム，ジスプロシウム、ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素の水溶液を、この順に、添加し混合してセラミックスラリを調製する。なお、これらの原料試薬の純度は、得られる誘電体磁器への不純物の混入を抑制し、高い誘電特性を得るという理由からいずれも９９．５％以上であるのがよい。

次に、このセラミックスラリを４流体ノズルを備えた噴霧乾燥機に投入し、４流体ノズルから直径が１０μｍ以下の液滴を生成させ、２００℃付近の温度で乾燥処理して、誘電体粉末の前駆体を作製し、次いで、この誘電体粉末の前駆体を乾燥処理の温度よりも高い温度にて加熱処理することにより調製する。

その組成は、ＢＴ粉末を１００モルとしたときに、バナジン酸アンモニウム水溶液をＶ_２Ｏ_５換算で０〜０．１モル、水酸化マグネシウム水溶液をＭｇＯ換算で０．５〜１．２モル、酢酸マンガン水溶液をＭｎＯ換算で０〜０．２モル、イットリウム，ジスプロシウム、ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素の水溶液をＲＥ_２Ｏ_３換算で０．５〜１．０モルの組成になるように添加する。

また、焼結助剤の添加量はＢＴ粉末１００質量部に対して０．５〜２質量部になるように調製する。これによりが誘電体磁器の焼結性をより高めることができる。その組成は、Ｌｉ_２Ｏ＝１〜１５モル％、ＳｉＯ_２＝４０〜６０モル％、ＢａＯ＝１５〜３５モル％、およびＣａＯ＝５〜２５モル％が好ましい。

次に、得られたセラミックグリーンシートの主面上に矩形状の内部電極パターンを印刷して形成する。内部電極パターンとなる導体ペーストは、Ｎｉもしくはこれらの合金粉末を主成分金属とし、これに共材としてのセラミック粉末を混合し、有機バインダ、溶剤および分散剤を添加して調製する。また、セラミックグリーンシート上の内部電極パターンによる段差を解消するために、内部電極パターンの周囲にセラミックパターンを内部電極パターンと実質的に同一厚みで形成することが好ましい。この場合、セラミックパターンを構成するセラミック成分は、同時焼成での焼成収縮を同じにするという点でセラミックグリーンシートに用いた誘電体粉末を用いることが好ましい。

次に、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを所望枚数重ねて、その上下に内部電極パターンを形成していないセラミックグリーンシートを複数枚、上下層が同じ枚数になるように重ねて仮積層体を形成する。仮積層体中における内部電極パターンは長寸方向に半パターンずつずらしてある。このような積層工法により切断後の積層体の端面に内部電極パターンが交互に露出されるように形成できる。

なお、本発明の積層セラミックコンデンサは、セラミックグリーンシートの主面に内部電極パターンを予め形成した後に積層する工法の他に、セラミックグリーンシートを一旦下層側の機材に密着させた後に、内部電極パターンを印刷し、乾燥させ、印刷、乾燥された内部電極パターン上に、内部電極パターンを印刷していないセラミックグリーンシートを重ねて仮密着させ、セラミックグリーンシートの密着と内部電極パターンの印刷を逐次行う工法によっても形成できる。

次に、仮積層体を上記仮積層時の温度圧力よりも高温、高圧の条件にてプレスを行い、セラミックグリーンシートと内部電極パターンとが強固に密着された積層体を形成する。

次に、積層体を格子状に切断することにより内部電極パターンの端部が露出するコンデンサ本体成形体を形成する。

次に、コンデンサ本体成形体を、所定の雰囲気下、温度条件で焼成してコンデンサ本体１を形成する。場合によっては、コンデンサ本体１の稜線部分の面取りを行うとともに、コンデンサ本体１の対向する端面から露出する内部電極層７を露出させるためにバレル研磨を施しても良い。

次に、得られたコンデンサ本体成形体を脱脂した後、焼成する。焼成は、昇温速度を１０００〜２４００℃／ｈとし、最高温度を１０３０〜１２００℃、保持時間を０．１〜４時間とし、水素−窒素の雰囲気中にて行うことが望ましい。この後、９００〜１１００℃の温度範囲で再酸化処理を行うことによってコンデンサ本体１を得る。焼成をこのような条件で行うことにより、誘電体層５を構成する結晶粒子９の平均粒径を０．１５〜０．４μｍの範囲とし、結晶粒子９の結晶構造が正方晶系のコア部９ａと、コア部を取り囲み前記バナジウム、マグネシウム、希土類元素およびマンガンのうち少なくとも１種の添加成分が固溶した立方晶系のシェル部９ｂとからなり、シェル部９ｂの厚みが５〜１５ｎｍであるコンデンサ本体１を得ることができる。

上述したように、本実施形態の積層セラミックコンデンサは、誘電体層５を作製するのに、チタン酸バリウムを主成分とし、これに、バナジウム、マグネシウム、希土類元素、マンガンおよび焼結助剤の全成分を所定量被覆したものを用い、得られた生のコンデンサ本体成形体を昇温速度の高い焼成条件で焼成することにより、シェル部９ｂの平均厚みの小さい結晶粒子９を得ることができる。これに対して、チタン酸バリウムを主成分とし、これに、バナジウム、マグネシウム、希土類元素、マンガンおよび焼結助剤の全成分を所定量被覆したものを用いても、昇温速度が５００℃／ｈ以下の条件では、シェル部９ｂの厚みが大きくなり、また、チタン酸バリウムを主成分とし、これに、バナジウム、マグネシウム、希土類元素およびマンガンを所定量被覆しても、焼結助剤としてガラス粉末を後添加する方法を用いた場合には、いずれもＤＣエージング特性が大きくなる。

次に、このコンデンサ本体１の対向する端部に、外部電極ペーストを塗布して焼付けを行い外部電極３を形成する。また、場合によっては、この外部電極３の表面に実装性を高めるためにメッキ膜を形成する。こうして本発明の積層セラミックコンデンサを得られる。

まず、原料粉末として、純度が９９．９％、平均粒径が０．１２μｍ、Ｂａ／Ｔｉのモル比が１．００５のＢＴ粉末を準備した。

次に、ＢＴ粉末の懸濁液に、アンモニア水をｐＨ調整剤として用いて、ｐＨを６〜８の範囲になるようにした。次に、これに、リチウム水溶液、シリカゾル、炭酸バリウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、バナジン酸アンモニウム水溶液、酢酸マンガン水溶液およびイットリウム，ジスプロシウム、ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素の水溶液を、この順に、添加し混合してセラミックスラリを調製した。

次に、このセラミックスラリを４流体ノズルを備えた噴霧乾燥機に投入し、４流体ノズルから直径が１０μｍ以下の液滴を生成させ、２００℃付近の温度で乾燥処理して、誘電体粉末の前駆体を作製し、次いで、この誘電体粉末の前駆体を４００℃にて加熱処理を行ってＢＴ粉末の表面にバナジウム、マグネシウム、希土類元素、マンガンおよび焼結助剤の全成分が所定量被覆された誘電体粉末を調製した。焼結助剤は、ＳｉＯ_２＝５５，ＢａＯ＝２０，ＣａＯ＝１５，Ｌｉ_２Ｏ＝１０（モル％）組成となるように組成を調整し、また、その焼結助剤の添加量はＢＴ粉末１００質量部に対して１質量部になるように調整した。なお、比較例として、バナジウム、マグネシウム、希土類元素およびマンガンを所定量被覆したＢＴ粉末に対して、焼結助剤としてガラス粉末を添加した試料を作製した（試料Ｎｏ．３４）。

次に、得られた誘電体粉末を、ポリビニルブチラール樹脂と、トルエンおよびアルコールの混合溶媒中に投入し、直径１ｍｍのジルコニアボールを用いて湿式混合してセラミックスラリを調製し、ドクターブレード法により厚み２μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

次に、このセラミックグリーンシートの上面にＮｉを主成分とする導体ペーストを矩形状の内部電極パターンとなるように複数形成した。内部電極パターンを形成するための導体ペーストは、平均粒径が０．３μｍのＮｉ粉末１００質量部に対してＢＴ粉末を添加したものを用いた。

次に、内部電極パターンを印刷したセラミックグリーンシートを２００枚積層し、その上下面に内部電極パターンを印刷していないセラミックグリーンシートをそれぞれ２０枚積層し、プレス機を用いて温度６０℃、圧力１０^７Ｐａ、時間１０分の条件で密着させて積層体を作製し、しかる後、この積層体を、所定の寸法に切断してコンデンサ本体成形体を形成した。

次に、コンデンサ本体成形体を大気中で脱バインダ処理した後、水素−窒素中、１１００で焼成してコンデンサ本体を作製した。この焼成では、ローラーハースキルンを用いて、表１に示す昇温速度の条件で焼成を行った。

作製したコンデンサ本体は、続いて、窒素雰囲気中１０００℃で４時間再酸化処理を行った。このコンデンサ本体の大きさは２．０５×１．２８×１．２８ｍｍ^３、誘電体層の厚みは２．０μｍ、内部電極層の１層の有効面積は１．７８ｍｍ^２であった。なお、有効面積とは、コンデンサ本体の異なる端面にそれぞれ露出するように積層方向に交互に形成された内部電極層同士の重なる部分の面積のことである。

次に、コンデンサ本体をバレル研磨した後、コンデンサ本体の両端部にＣｕ粉末とガラスとを含んだ外部電極ペーストを塗布し、８５０℃で焼き付けを行って外部電極を形成した。その後、電解バレル機を用いて、この外部電極の表面に、順にＮｉメッキ及びＳｎメッキを行い、積層セラミックコンデンサを作製した。

次に、これらの積層セラミックコンデンサについて以下の評価を行った。室温（２５℃）における比誘電率は静電容量をＬＣＲメータ（ヒューレットパッカード社製）を用いて、温度２５℃、周波数１．０ｋＨｚ、ＡＣ電圧を１．０Ｖ／μｍとして測定し、誘電体層の厚みと内部電極層の有効面積から求めた。また、静電容量の温度特性は静電容量を温度−５５〜８５℃の範囲で測定した。

ＤＣバイアス特性は、温度２５℃、周波数１．０ｋＨｚ、ＡＣ電圧１．０Ｖ／μｍの条件において、直流（ＤＣ）電圧を印加しないときの静電容量をＣ１、温度２５℃、周波数１．０ｋＨｚ、ＡＣ電圧０．２Ｖ／μｍの条件において、直流（ＤＣ）電圧を印加したときの静電容量をＣ２としたときに、（（Ｃ２−Ｃ１）／Ｃ１）×１００（％）から求めた。

ＤＣエージング特性は、４．５Ｖ／μｍの直流（ＤＣ）電圧を印加して、１時間および１０時間経過したときの静電容量を測定し、１０時間経過後の静電容量をＣ３としたときに、（（Ｃ３−Ｃ２）／Ｃ１）×１００（％）から求めた。

誘電体層を構成する結晶粒子の平均粒径は、焼成後のコンデンサ本体である試料の破断面を研磨した後、走査型電子顕微鏡を用いて内部組織の写真を撮り、その写真上で結晶粒子が３０個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択し、各結晶粒子の輪郭を画像処理し、各粒子の面積を求め、同じ面積を持つ円に置き換えたときの直径を算出し、その平均値より求めた。

結晶粒子の平均のシェル厚みは、前述の数式１および数式２を用いて求めた。このとき、Ｘ線回折装置はＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製のＸ‘ＰｅｒｔＰｒｏを用いた。このとき対象とする結晶粒子の結晶構造は、測定したＸ線回折パターンにおいて、選択したＸ線回折パターンが純粋な正方晶（ｈ ｋ ｌ）または立方晶（ｈ' ｋ' ｌ'）の反射に比較してブロードになっており、ピーク位置の同定から正方晶（ｈ ｋ ｌ）および立方晶（ｈ' ｋ' ｌ'）の反射が含まれているものを選択した。

そして、回折ピークは、正方晶の（００２），（２００）、立方晶の（２００）を測定の対象とした。ビームの大きさは、縦方向に０．５ｍｍ、水平方向に５ｍｍとした。波長は１．５４９８２Åとした。誘電体磁器の測定は、ステップ幅を０．０２°とし、１点あたりの計数時間を５．０秒とした。また、繰返し回数を１０回とし、１０回分の積算を回折強度とした。なお、評価においては、回折ピークからピーク分離ソフトを用いて以下の条件で正方晶の（００２），（２００）、立方晶の（２００）をピーク分離を行った。ピーク分離の条件は、バックグラウンド関数：０次多項式、放射光：Ｋα１、プロファイル関数：the psedo-Voigt関数、半値幅：すべての反射に対し異なる半値幅、プロファイルの対象性：対象、データ分解能：シャープ（最小半値幅：約０．１°）および解析範囲：４４°＜２θ＜４７°、とした。

また、得られた焼結体である試料の組成分析はＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）分析および原子吸光分析により行った。この場合、得られた誘電体磁器を硼酸と炭酸ナトリウムと混合し溶融させたものを塩酸に溶解させて、まず、原子吸光分析により誘電体磁器に含まれる元素の定性分析を行い、次いで、特定した各元素について標準液を希釈したものを標準試料として、ＩＣＰ発光分光分析にかけて定量化した。また、各元素の価数を周期表に示される価数として酸素量を求めた。なお、得られた積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層の組成は、表１に示した組成と一致した。

調合組成および焼成条件を表１に、得られた積層セラミックコンデンサにおける誘電体層を構成する結晶粒子の平均粒径および誘電特性（比誘電率、静電容量の温度特性、ＤＣバイアス特性，ＤＣエージング特性の結果を表２にそれぞれ示す。

表１〜２の結果から明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．１，６，７，９，１０，１３，１４，１６〜１８，２０〜２７および２９〜３２では、室温（２５℃）における比誘電率を３０００以上、静電容量の温度特性がＸ５Ｒ（２５℃を基準にしたときの比誘電率の温度変化率が−５５〜８５℃において±１５％）を満足し、４．５Ｖ／μｍの直流を印加するＤＣバイアス特性の測定において、直流電圧無印加の静電容量値を基準としたとき、４．５Ｖ／μｍの条件での印可での静電容量値の低下率が５０％以下であり、さらに、直流電圧を４．５Ｖ／μｍの条件で印可するＤＣエージング特性において、０．１〜１０時間の経過までの静電容量の低下率が２０％以下であった。

特に、誘電体層となる誘電体磁器がマンガンを含有しない試料（試料Ｎｏ．１６および２４〜２７）では、同条件でのＤＣエージング特性において、０．１〜１０時間の経過までの静電容量の低下率が９．０４％以下であった。

これに対して、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２〜５，８，１１，１２，１５，１９，２８および３３〜３４では、室温（２５℃）における比誘電率を３０００以上、静電容量の温度特性がＸ５Ｒ（２５℃を基準にしたときの比誘電率の温度変化率が−５５〜８５℃において±１５％以内）を満足すること、４．５Ｖ／μｍの直流を印加するＤＣバイアス測定において、直流電圧無印加の静電容量値を基準としたとき、４．５Ｖ／μｍ印加での静電容量値の低下率が５０％以内および直流電圧を４．５Ｖ／μｍの条件で印加するＤＣエージング特性において、０．１〜１０時間の経過までの静電容量の低下率が２０％以内、のいずれかの特性を満足しないものであった。

１ コンデンサ本体
３ 外部電極
５ 誘電体層
７ 内部電極層
９ 結晶粒子
９ａ コア部
９ｂ シェル部
１１ 粒界相

Claims (2)

1. 複数の誘電体層とニッケルを導体材料とする複数の内部電極層とが交互に積層されたコンデンサ本体と、該コンデンサ本体の前記内部電極層が露出した端面に設けられた外部電極とを有する積層セラミックコンデンサであって、前記誘電体層が、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子と、該結晶粒子間に存在する粒界相とからなり、チタン酸バリウム１００モルに対して、バナジウムを０〜０．１モル、マグネシウムを０．５〜１．２モル、イットリウム，ジスプロシウム，ホルミウム，テルビウムおよびイッテルビウムから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を０．５〜１．０モルおよびマンガンを０〜０．２モル含有する誘電体磁器からなるとともに、前記結晶粒子は、結晶構造が正方晶系のコア部と、該コア部を取り囲み、前記バナジウム、前記マグネシウム、前記希土類元素および前記マンガンのうち少なくとも１種の添加成分が固溶しており結晶構造が立方晶系のシェル部とからなり、該シェル部の平均厚みが５〜１５ｎｍであるとともに、前記結晶粒子の平均粒径が０．１５〜０．４μｍであることを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
2. 前記誘電体磁器が前記マンガンを含有していないことを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックコンデンサ。

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