JP2014236170A - セラミック電子部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを積層した構造を有する複合基板を得るための焼成時において、セラミック誘電体層からセラミック磁性層へガラス成分の拡散が生じ、その結果、セラミック誘電体層の焼結性を低下させたり、絶縁抵抗特性を劣化させたりすることがある。
【解決手段】複合基板４において、セラミック誘電体層２は、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含む。この組成によれば、焼成時にガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトを析出するので、ガラスの粘度が高くなり、セラミック誘電体層２からセラミック磁性体層３への成分拡散が抑制され得る。
【選択図】図１
【解決手段】複合基板４において、セラミック誘電体層２は、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含む。この組成によれば、焼成時にガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトを析出するので、ガラスの粘度が高くなり、セラミック誘電体層２からセラミック磁性体層３への成分拡散が抑制され得る。
【選択図】図１
Description
この発明は、セラミック電子部品およびその製造方法に関するもので、特に、セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを積層した構造を有する複合基板を備えるセラミック電子部品およびその製造方法に関するものである。
この発明にとって興味ある技術として、たとえば特開平１−６１０１５号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１には、セラミック誘電体層と電極層とを積層したコンデンサ部と、セラミック磁性体層と電極層とを積層したインダクタ部と、を一体化したセラミックＬＣ複合部品が記載されている。より詳細には、上記セラミック誘電体層は、セラミック誘電体とホウケイ酸ガラスとを含有し、ホウケイ酸ガラスの含有率が５〜６０重量％であり、ホウケイ酸ガラスが７５〜９０重量％の酸化ケイ素と８〜２０重量％の酸化ホウ素とを含有し、セラミック誘電体層の線膨張率とセラミック磁性体層の線膨張率との差が１０×１０-7deg-1以下である。
特許文献１によれば、セラミック誘電体層を上記のような組成とし、かつセラミック誘電体層とセラミック磁性体層との線膨張率の差を上記のように設定することにより、セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを共焼結させるとき、線膨張率の差が原因となるクラック、剥がれ、および反りの発生を防止することができると記載されている。
しかし、特許文献１に記載のものでは、焼成時において生じ得るセラミック誘電体層とセラミック磁性体層との間での相互拡散の問題は避けられない。すなわち、セラミック誘電体層とセラミック磁性体層との間で生じ得る相互拡散を抑制することが困難であるため、セラミック誘電体層からセラミック磁性層へガラス成分の拡散が生じ、その結果、セラミック誘電体層の焼結性を低下させたり、絶縁抵抗特性を劣化させたりするといった問題に遭遇することがあった。
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、セラミック電子部品およびその製造方法を提供しようとすることである。
この発明は、セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを積層した構造を有する複合基板を備える、セラミック電子部品にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、
上記セラミック誘電体層は、
３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、
アルミナ、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）および石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、
を含み、さらに、
結晶として、少なくともウォラストナイト（ＣａＳｉＯ３）を含む、
ことを特徴としている。
上記セラミック誘電体層は、
３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、
アルミナ、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）および石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、
を含み、さらに、
結晶として、少なくともウォラストナイト（ＣａＳｉＯ３）を含む、
ことを特徴としている。
セラミック磁性体層は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを含むことが好ましい。これによって、セラミック磁性体層において高い透磁率を得ることができ、そのため、セラミック部品において良好な特性を得ることができる。
この発明は、また、セラミック電子部品の製造方法にも向けられる。この発明に係るセラミック電子部品の製造方法は、誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとをそれぞれ準備する工程と、誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとを積層して複合積層体を作製する工程と、複合積層体を焼成して複合基板を得る工程と、を備える。
そして、前述した技術的課題を解決するため、上記誘電体セラミックグリーンシートを準備する工程において、固形成分として、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含む、誘電体セラミックグリーンシートが準備されることを特徴としている。このような組成の誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとが積層されてなる複合積層体が焼成されたとき、上記ガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトが析出する。
上述したセラミック誘電体層または誘電体セラミックグリーンシートは、焼成時において、ガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトを析出する組成を有している。このように、ガラスの一部が結晶化すると、ガラスの粘度が高くなる。
したがって、この発明によれば、焼成時にガラスの粘度が高くなるため、誘電体セラミックグリーンシートから磁性体セラミックグリーンシートへの、すなわち、セラミック誘電体層からセラミック磁性体層への成分拡散が抑制され得る。その結果、セラミック誘電体層の焼結性を低下させたり、絶縁抵抗特性を劣化させたりするといった問題、さらには、セラミック磁性体層の特性を劣化させたりするといった問題をも生じにくくすることができる。
図１を参照して、この発明の一実施形態によるセラミック電子部品１について説明する。
セラミック電子部品１は、セラミック誘電体層２とセラミック磁性体層３とを積層した構造を有する複合基板４を備えている。セラミック誘電体層２およびセラミック磁性体層３の各々は、図１では、それぞれ一体のものとして図示されているが、実際には、複数の層からなる積層構造を有している。
セラミック誘電体層２は、後述する製造方法からわかるように、ガラスとセラミックとを含むものであるが、ガラスは、出発原料として、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスに由来するものであり、セラミックは、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを出発原料とするものである。セラミック誘電体層２は、出発原料の段階では、ガラスを４０〜８０重量％、セラミックを２０〜６０重量％それぞれ含んでいる。また、セラミック誘電体層２は、結晶として、少なくともウォラストナイトを含んでいる。
セラミック磁性体層３は、好ましくは、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを含む。このように、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを含むと、セラミック磁性体層３において高い透磁率を得ることができ、そのため、セラミック部品１において良好な特性を得ることができる。
複合基板４におけるセラミック誘電体層２が占める部分は、コンデンサ部５を構成し、そこには、互いに対向するように形成された複数のコンデンサ電極６が設けられている。他方、複合基板４におけるセラミック磁性体層３が占める部分は、インダクタ部７を構成し、そこには、コイル状に延びるコイル導体８が設けられている。
このようにして、図１に示したセラミック電子部品１は、ＬＣ複合部品を構成する。
次に、セラミック電子部品１の好ましい製造方法について説明する。
まず、セラミック誘電体層２となるべき誘電体セラミックグリーンシートとセラミック磁性体層３となるべき磁性体セラミックグリーンシートとがそれぞれ準備される。
誘電体セラミックグリーンシートは、固形成分として、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含み、さらに、溶剤、バインダおよび可塑剤を含む、スラリーをシート状に成形することによって得られるものである。
他方、磁性体セラミックグリーンシートは、たとえば、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの仮焼粉を含むとともに、溶剤、バインダおよび可塑剤を含む、スラリーをシート状に成形することによって得られるものである。上記Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトに代えて、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、またはＭｎ−Ｚｎ系フェライトが用いられてもよい。
次に、誘電体セラミックグリーンシート上には、コンデンサ電極６となるべき導体膜が、たとえば導電性ペーストの印刷によって形成される。他方、磁性体セラミックグリーンシート上には、コイル導体８となるべき導体膜および必要に応じてビア導体が導電性ペーストの印刷によって形成される。
次に、誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとが、それぞれ、必要数、所定の順序で積層される。これによって、複合基板４となるべき複合積層体が得られる。
次に、複合積層体が１０００℃以下で焼成され、それによって、複合基板４が得られる。この焼成工程において、誘電体セラミックグリーンシートに含まれていたガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトが析出する。このように、ガラスの一部が結晶化すると、ガラスの粘度が高くなる。そのため、誘電体セラミックグリーンシートから磁性体セラミックグリーンシートへの、すなわち、セラミック誘電体層２からセラミック磁性体層３への成分拡散が抑制され、セラミック誘電体層２の焼結性を低下させたり、絶縁抵抗特性を劣化させたり、また、セラミック磁性体層３の特性を劣化させたりするといった問題を生じにくくすることができる。
このようにして得られた複合基板４におけるセラミック誘電体層３は、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含む出発原料が有していた元素組成を維持している。また、セラミック誘電体層３は、結晶として、少なくともウォラストナイトを含む。
次に、複合基板４の外表面上に、必要に応じて、端子となる外部電極、コンデンサ電極６やコイル導体８に接続される接続導体が形成され、ＬＣ複合部品としてのセラミック電子部品１が完成される。
このように、図１に示したセラミック電子部品１は、ＬＣ複合部品を構成するものであるが、この発明に係るセラミック電子部品は、セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを積層した構造を有する複合基板を備える限り、必ずしも複合部品である必要はなく、単一の機能素子のみを有するセラミック電子部品であってもよいし、他の電子部品を実装してモジュールとして用いられてもよい。
また、この発明に係るセラミック電子部品に備える複合基板におけるセラミック誘電体層およびセラミック磁性体層の各々の数および積層順序は、セラミック電子部品に求められる機能に応じて任意に変更することができる。
［実験例］
以下に、この発明に係るセラミック電子部品に関して、実験例に基づき、より具体的に説明する。
以下に、この発明に係るセラミック電子部品に関して、実験例に基づき、より具体的に説明する。
（１）誘電体セラミックグリーンシートの作製：
表１に示すガラス組成となるように、出発原料となる酸化物または炭酸塩を調合し、これをＰｔるつぼに入れ、ガラス組成により１３００〜１５００℃の温度で１時間溶融させた。次に、このガラス融液を急冷した後、粉砕し、ガラス粉末を得た。
表１に示すガラス組成となるように、出発原料となる酸化物または炭酸塩を調合し、これをＰｔるつぼに入れ、ガラス組成により１３００〜１５００℃の温度で１時間溶融させた。次に、このガラス融液を急冷した後、粉砕し、ガラス粉末を得た。
他方、フィラーとなるセラミック粉末として、表１に示すように、アルミナ粉末、フォルステライト粉末、および石英粉末を用意し、これらを表１に示した重量比となるように秤量した。
次いで、上記ガラス粉末と上記セラミック粉末とを、表１の「ガラス量」および「フィラー量」で示す割合で混合するとともに、これらに溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、十分に混合し、ドクターブレード法を適用することによって、各試料に係る誘電体セラミックグリーンシートを得た。
（２）磁性体セラミックグリーンシートの作製：
Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの仮焼粉に溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、十分に混合し、ドクターブレード法を適用することによって、磁性体セラミックグリーンシートを得た。
Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの仮焼粉に溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、十分に混合し、ドクターブレード法を適用することによって、磁性体セラミックグリーンシートを得た。
これらの誘電体セラミックグリーンシートおよび磁性体セラミックグリーンシートを用いて、以下の評価を行なった。
（３）絶縁抵抗：
絶縁抵抗測定のため、図２および図３にそれぞれ示すようなコンデンサ１１および２１を作製した。
絶縁抵抗測定のため、図２および図３にそれぞれ示すようなコンデンサ１１および２１を作製した。
〈コンデンサ１１および１２に共通する構成〉
コンデンサ１１および２１は、それぞれ、基板１２および２２を備える。コンデンサ１１および２１について、共通する要素には同様の参照符号を付して説明すると、基板１２および２２の各々の内部には、互いに対向する内部電極１３および１４が配置される。基板１２および２２の各々の互いに対向する各端面上には、内部電極１３および１４にそれぞれ電気的に接続された外部電極１５および１６が形成される。
コンデンサ１１および２１は、それぞれ、基板１２および２２を備える。コンデンサ１１および２１について、共通する要素には同様の参照符号を付して説明すると、基板１２および２２の各々の内部には、互いに対向する内部電極１３および１４が配置される。基板１２および２２の各々の互いに対向する各端面上には、内部電極１３および１４にそれぞれ電気的に接続された外部電極１５および１６が形成される。
図２および図３に示すように、内部電極１３および１４は、４ｍｍ×４ｍｍの平面寸法を有しており、内部電極１３および１４間の距離は、３０μｍとした。
なお、内部電極１３および１４の形成には、Ａｇ系ペーストを用いた。また、基板１２および２２を得るため、１０００℃以下の焼成温度を適用した。
〈コンデンサ１１特有の構成〉
図２に示すコンデンサ１１では、基板１２は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×約１．０ｍｍ（厚み）の寸法を有し、誘電体セラミックグリーンシートを積層してなる積層体を焼成して得られたものである。基板１２の厚み方向での中央に内部電極１３および１４を配置した。
図２に示すコンデンサ１１では、基板１２は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×約１．０ｍｍ（厚み）の寸法を有し、誘電体セラミックグリーンシートを積層してなる積層体を焼成して得られたものである。基板１２の厚み方向での中央に内部電極１３および１４を配置した。
〈コンデンサ２１特有の構成〉
図３に示すコンデンサ２１では、基板２２は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×約１．０ｍｍ（厚み）の寸法を有し、誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとを積層してなる積層体を焼成して得られた複合基板である。より詳細には、複合基板２２は、図３に示すように、厚み９０μｍのセラミック誘電体層２３を、各厚みが０．５ｍｍの２つのセラミック磁性体層２４および２５で挟んだ積層構造を有しており、セラミック誘電体層２３の厚み方向での中央に内部電極１３および１４を配置した。
図３に示すコンデンサ２１では、基板２２は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×約１．０ｍｍ（厚み）の寸法を有し、誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとを積層してなる積層体を焼成して得られた複合基板である。より詳細には、複合基板２２は、図３に示すように、厚み９０μｍのセラミック誘電体層２３を、各厚みが０．５ｍｍの２つのセラミック磁性体層２４および２５で挟んだ積層構造を有しており、セラミック誘電体層２３の厚み方向での中央に内部電極１３および１４を配置した。
〈絶縁抵抗測定〉
コンデンサ１１および１２について、絶縁抵抗測定器により絶縁抵抗値［Ω］を測定した。その結果が、logＩＲとして、表２の「誘電体単体」における「logＩＲ」および「共焼結体」における「logＩＲ」の各欄に示されている。表２において、「誘電体単体」はコンデンサ１１に相当し、「共焼結体」はコンデンサ２１に相当する。
コンデンサ１１および１２について、絶縁抵抗測定器により絶縁抵抗値［Ω］を測定した。その結果が、logＩＲとして、表２の「誘電体単体」における「logＩＲ」および「共焼結体」における「logＩＲ」の各欄に示されている。表２において、「誘電体単体」はコンデンサ１１に相当し、「共焼結体」はコンデンサ２１に相当する。
（４）結晶相：
誘電体セラミックグリーンシートのみを所定枚数積層した後、圧着、焼成し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１．０ｍｍ（厚み）の基板を作製した。そして、この焼成基板を乳鉢で粉砕し得られた粉末についてＸ線回折分析を実施し、それによって、結晶相の同定を行なった。その結果が表２の「誘電体単体」における「結晶相」の欄に示されている。
誘電体セラミックグリーンシートのみを所定枚数積層した後、圧着、焼成し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１．０ｍｍ（厚み）の基板を作製した。そして、この焼成基板を乳鉢で粉砕し得られた粉末についてＸ線回折分析を実施し、それによって、結晶相の同定を行なった。その結果が表２の「誘電体単体」における「結晶相」の欄に示されている。
表２の「結晶相」に関して、「Ａ」はα−アルミナを示し、「Ｗ」はウォラストナイトを示し、「Ｆ」はフォルステライトを示し、「Ｑ」は石英（クオーツ）を示している。なお、結晶相「Ａ」、「Ｆ」および「Ｑ」は、表１の「フィラー」の欄に記載のセラミック種からわかるように、原材料として添加したものであり、焼成時に析出した結晶ではない。
表１および表２において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の比較例である。
この発明の範囲内の試料２、３、５、６、９、１０、１３、１４、１７、１８および２０では、「結晶相」として、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しており、「共焼結体」での「logＩＲ」は、「誘電体単体」での「logＩＲ」と大差なく、logＩＲ＞１０を満足した。
これらに対して、この発明の範囲外の試料１では、ガラス中のＣａＯが少なすぎるため、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しなかった。そのため、ガラス成分がセラミック磁性体層に拡散して、「共焼結体」での「logＩＲ」が、「誘電体単体」での「logＩＲ」に比べて大幅に低下した。
試料４では、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しているものの、ガラス中のＣａＯが多すぎるため、ガラスの粘度が低下して、ガラス成分がセラミック磁性体層に拡散して、「共焼結体」での「logＩＲ」が、「誘電体単体」での「logＩＲ」に比べて大幅に低下した。ＣａＯはガラス修飾酸化物でガラスの粘度を低下させる性質を有している。
試料７では、ガラス中のＡｌ２Ｏ３が多すぎるため、「未焼結」となった。
試料８では、ガラス中のＢ２Ｏ３が少なすぎるため、「未焼結」となった。
試料１１では、ガラス中のＢ２Ｏ３が多すぎるため、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しなかった。そのため、ガラス成分がセラミック磁性体層に拡散して、「共焼結体」での「logＩＲ」が、「誘電体単体」での「logＩＲ」に比べて大幅に低下した。
試料１２では、ガラス中のＳｉＯ２少なすぎるため、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しなかった。そのため、ガラス成分がセラミック磁性体層に拡散して、「共焼結体」での「logＩＲ」が、「誘電体単体」での「logＩＲ」に比べて大幅に低下した。
試料１５では、ガラス中のＳｉＯ２が多すぎるため、「未焼結」となった。
試料１６では、ガラス量が少なすぎるため、「未焼結」となった。
試料１９では、「Ｗ」（ウォラストナイト）が析出しているものの、ガラス量が多すぎるため、ウォラストナイトがガラス粘度の低下を抑えきれず、ガラス成分がセラミック磁性体層に拡散して、「共焼結体」での「logＩＲ」が、「誘電体単体」での「logＩＲ」に比べて大幅に低下した。
１ セラミック電子部品
２ セラミック誘電体層
３ セラミック磁性体層
４ 複合基板
２ セラミック誘電体層
３ セラミック磁性体層
４ 複合基板
Claims (3)
- セラミック誘電体層とセラミック磁性体層とを積層した構造を有する複合基板を備え、
前記セラミック誘電体層は、
３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、
アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、
を含み、さらに、
結晶として、少なくともウォラストナイトを含む、
セラミック電子部品。 - 前記セラミック磁性体層は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを含む、請求項１に記載のセラミック電子部品。
- 誘電体セラミックグリーンシートと磁性体セラミックグリーンシートとをそれぞれ準備する工程と、
前記誘電体セラミックグリーンシートと前記磁性体セラミックグリーンシートとを積層して複合積層体を作製する工程と、
前記複合積層体を焼成して複合基板を得る工程と、
を備え、
前記誘電体セラミックグリーンシートを準備する工程は、固形成分として、３５〜５０重量％のＣａＯ、０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３、５〜２０重量％のＢ２Ｏ３、および３０〜５０重量％のＳｉＯ２を含む、ガラスを４０〜８０重量％と、アルミナ、フォルステライトおよび石英の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックを２０〜６０重量％と、を含む、誘電体セラミックグリーンシートを準備する工程を含み、
前記複合積層体を焼成して複合基板を得る工程において、前記ガラスの一部が結晶化して少なくともウォラストナイトが析出する、
セラミック電子部品の製造方法。
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