JP2015084360A - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力によって素体にクラックが発生することを抑制しつつ、仮にクラックが発生した場合にクラックから素体内に水分が浸入することを抑制する。【解決手段】内部電極１１２が埋設された誘電体セラミックからなり、互いに対向する１対の端面１１０ａおよびこの端面同士の間を結ぶ４つの側面１１０ｂを有する直方体状の素体１１０と、素体１１０の表面上において各端面１１０ａから４つの側面１１０ｂのうちの少なくとも１つの側面１１０ｂに亘って設けられて内部電極１１２と電気的に接続された外部電極１２０とを備える。外部電極１２０は、素体１１０上に形成された焼結金属層１２１およびこの焼結金属層１２１を覆うめっき層を含む。焼結金属層１２１は、素体１１０の少なくとも１つの稜線１１０ｃ，１１０ｄ上に開口を有する。開口の少なくとも一部はガラス層１３０によって埋められている。【選択図】図２

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサに関する。

積層セラミックコンデンサの構成を開示した先行文献として、特開平６−１７６９５６号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された積層型磁器コンデンサは、誘電体層が内部電極を挟むように複数積層されたコンデンサ素体と、内部電極と電気的に接続するようにコンデンサ素体の側面に形成された一対の外部電極とを備える。その外部電極が、金属導体およびガラス組成物を所定の割合で配合したペーストを素体に焼き付けることにより形成されている。

特開平６−１７６９５６号公報

特許文献１に記載された積層型磁器コンデンサにおいては、外部電極中にガラスを分散させることにより積層セラミックコンデンサの耐熱衝撃性の向上を図っている。

しかし、特許文献１に記載された積層型磁器コンデンサのように外部電極を素体の各端面から４つの側面に亘って連続して設けた場合、積層セラミックコンデンサに熱応力が作用した際に、素体と外部電極との熱膨張率の差によって発生した引張応力が素体全体に及ぶため、素体表面の中で最も応力が集中しやすい稜線部にクラックが発生することがある。

素体表面にクラックが発生した場合、そのクラックから空気中の水分が浸入して積層セラミックコンデンサの絶縁抵抗値が低下することがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、熱応力によって素体にクラックが発生することを抑制しつつ、仮にクラックが発生した場合にクラックから素体内に水分が浸入することを抑制できる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。

本発明に基づく積層セラミックコンデンサにおいては、内部電極が埋設された誘電体セラミックからなり、互いに対向する１対の端面およびこの端面同士の間を結ぶ４つの側面を有する直方体状の素体と、素体の表面上において各端面から４つの側面のうちの少なくとも１つの側面に亘って設けられて内部電極と電気的に接続された外部電極とを備える。外部電極は、素体上に形成された焼結金属層およびこの焼結金属層を覆うめっき層を含む。焼結金属層は、素体の少なくとも１つの稜線上に開口を有する。開口の少なくとも一部はガラス層によって埋められている。

本発明の一形態においては、開口がめっき層により覆われている。
本発明の一形態においては、めっき層が、Ｎｉめっき層とＳｎめっき層とを含む。Ｎｉめっき層は、焼結金属層および開口を覆っている。Ｓｎめっき層は、Ｎｉめっき層を覆っている。

本発明の一形態においては、焼結金属層およびガラス層は、球状のガラスフリットおよび扁平状の金属粒子を含む導電ペーストが素体に焼き付けられることにより共に形成される。

本発明の一形態においては、開口は、撥油処理が施された素体に上記導電ペーストを塗布することにより形成される。

本発明によれば、熱応力によって素体にクラックが発生することを抑制しつつ、仮にクラックが発生した場合にクラックから素体内に水分が浸入することを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの外観を示す斜視図である。 図１の積層セラミックコンデンサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図２の積層セラミックコンデンサをＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図２の積層セラミックコンデンサをＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。 図２の積層セラミックコンデンサをＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。 焼結金属層の楕円状の開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。 焼結金属層の略矩形状の開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。 焼結金属層の２つの楕円状の各開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。 同実施形態に係る積層セラミックコンデンサの製造方法を示すフローチャートである。 素体の端面に導電ペーストを塗布する状態を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの外観を示す斜視図である。図２は、図１の積層セラミックコンデンサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図２の積層セラミックコンデンサをＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、図２の積層セラミックコンデンサをＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図５は、図２の積層セラミックコンデンサをＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。図１においては、素体の長手方向をＬ、素体の幅方向をＷ、素体の厚さ方向をＴで示している。

図１〜５に示すように、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ１００は、内部電極１１２が埋設された誘電体セラミックからなり、互いに対向する１対の端面１１０ａおよび端面１１０ａ同士の間を結ぶ４つの側面１１０ｂを有する直方体状の素体１１０と、素体１１０の表面上において各端面１１０ａから４つの側面１１０ｂのうちの少なくとも１つの側面１１０ｂに亘って設けられて内部電極１１２と電気的に接続された外部電極１２０とを備える。素体１１０の１対の端面は、素体１１０の長手方向Ｌと直交している。

素体１１０の長手方向Ｌの寸法、幅方向Ｗの寸法および厚さ方向Ｔの寸法は、たとえば、１．０ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、０．６ｍｍ×０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、０．４ｍｍ×０．２ｍｍ×０．２ｍｍである。

素体１１０においては、誘電体セラミックからなるセラミック層１１１と、平板状の内部電極１１２とが交互に積層されている。本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ１００においては、セラミック層１１１と内部電極１１２との積層方向が、素体１１０の長手方向Ｌおよび素体１１０の幅方向Ｗに対して直交している。すなわち、セラミック層１１１と内部電極１１２との積層方向は、素体１１０の厚さ方向Ｔと平行である。ただし、セラミック層１１１と内部電極１１２との積層方向は、上記に限られず、幅方向Ｗと平行であってもよい。

上記のように素体１１０は直方体状の外形を有するが、後述するように、角部および稜線部に所定の曲率半径以下の丸みを有していてもよい。

以下、各構成について詳細に説明する。
セラミック層１１１を構成する材料としては、ＢａＴｉＯ₃、ＣａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃またはＣａＺｒＯ₃などを主成分とする誘電体セラミックスを用いることができる。また、これらの主成分に、副成分として、Ｍｎ化合物、Ｃｏ化合物、Ｓｉ化合物または希土類化合物などが添加された材料を用いてもよい。

図３に示すように、セラミック層１１１を間に挟んで互いに対向するように隣接して配置された内部電極１１２同士のうちの一方は、素体１１０の長手方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて延在して、素体１１０の一方側の端面において外部電極１２０と接続されている。

図４に示すように、他方の内部電極１１２は、素体１１０の長手方向の他方側の端部から一方側の端部に向けて延在して、素体１１０の他方側の端面において外部電極１２０と接続されている。

内部電極１１２を構成する材料としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕなどの金属、または、これらの金属の少なくとも１種を含む合金、たとえばＡｇとＰｄとの合金などを用いることができる。

なお、最も外側に配置されている内部電極１１２のさらに外側に、外部電極１２０と電気的に接続されていない浮遊内部導体を設けてもよい。この場合、浮遊内部導体を内部電極１１２と同一の材料で構成してもよい。浮遊内部導体を設けた場合、素体１１０の外部から素体１１０内に水分が浸入することを浮遊内部導体によって阻害して、耐湿性を向上することができる。

本実施形態においては、外部電極１２０は、素体１１０上に形成されたＣｕを主成分とする焼結金属層１２１および焼結金属層１２１を覆うめっき層を含む。めっき層は、Ｎｉめっき層１２２とＳｎめっき層１２３とを含む。Ｎｉめっき層１２２は、焼結金属層１２１を覆っている。Ｓｎめっき層１２３は、Ｎｉめっき層１２２を覆っている。Ｎｉめっき層１２２は、半田バリア層として機能する。Ｓｎめっき層１２３は、実装時の半田との濡れ性を良好にするために設けられる。

本実施形態においては、焼結金属層１２１は、素体１１０の表面上において各端面１１０ａから４つの側面１１０ｂに亘って設けられている。各側面１１０ｂ上において、両端面１１０ａ側に焼結金属層１２１が設けられている。ただし、焼結金属層１２１の配置は上記に限られず、素体１１０の表面上において各端面１１０ａから４つの側面１１０ｂのうちの少なくとも１つの側面１１０ｂに亘って設けられていればよい。

本実施形態においては、焼結金属層１２１は、素体１１０の全ての稜線上に開口を有している。具体的には、端面１１０ａと側面１１０ｂとの間の各稜線１１０ｃ上に開口を有している。また、側面１１０ｂ同士の間の各稜線１１０ｄ上に開口を有している。

本実施形態においては、各稜線上の全体に亘って開口が位置している。そのため、一方の端面１１０ａおよび４つの側面１１０ｂの各面上に位置する焼結金属層１２１は、それぞれの間に開口を挟んで互いに離間している。同様に、他方の端面１１０ａおよび４つの側面１１０ｂの各面上に位置する焼結金属層１２１は、それぞれの間に開口を挟んで互いに離間している。

ただし、焼結金属層１２１が素体１１０の少なくとも１つの稜線上に開口を有すればよく、開口の形状および位置は特に限定されず、また、１つの稜線上に位置する開口の数も特に限定されない。

焼結金属層１２１の開口の少なくとも一部は、ガラス層１３０によって埋められている。すなわち、焼結金属層１２１の開口内に位置するセラミック層１１１上の少なくとも一部に、ガラス層１３０が設けられている。好ましくは、焼結金属層１２１の全ての開口が完全にガラス層１３０によって埋められている。

図６は、焼結金属層の楕円状の開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。図７は、焼結金属層の略矩形状の開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。図８は、焼結金属層の２つの楕円状の各開口の一部がガラス層に覆われている状態の稜線部を示す図である。図６〜８においては、めっき層を図示していない。

図６〜８に示すように、素体１１０の稜線１１０ｃおよび稜線１１０ｄの少なくともいずれかに位置する各開口１２１ｅ内において、一部がガラス層１３０によって埋められ、残部がガラス層１３０によって埋められていない状態であってもよい。なお、ガラス層１３０の一部が焼結金属層１２１上に位置していてもよい。

ガラス層１３０を構成するガラス成分には、アルカリ土類金属が添加されている。アルカリ土類金属を添加することにより、ガラス層１３０のめっき液に対する耐性、特にＮｉめっき用のめっき液に対する耐性を向上することができる。その結果、後述するようにめっき層を形成する際に、焼結金属層１２１の開口からめっき液が素体１１０内に浸入することをガラス層１３０によって抑制できる。

本実施形態においては、図２〜５に示すように、焼結金属層１２１の開口は、めっき層により覆われている。具体的には、焼結金属層１２１の開口がＮｉめっき層１２２により覆われている。焼結金属層１２１の開口を覆っている部分のＮｉめっき層１２２は、Ｓｎめっき層１２３により覆われている。

よって、ガラス層１３０は、Ｎｉめっき層１２２により覆われている。焼結金属層１２１の開口内においてガラス層１３０によって埋められていない部分に位置するセラミック層１１１は、Ｎｉめっき層１２２により直接覆われている。

なお、必ずしも焼結金属層１２１の開口がめっき層により覆われていなくてもよい。ただし、焼結金属層１２１の開口をめっき層により覆うことにより、焼結金属層１２１の開口から空気中の水分が素体１１０内に浸入することを抑制できるため、積層セラミックコンデンサ１００の信頼性を向上できる。

そのため、焼結金属層１２１の開口の最大幅の寸法が５μｍ以下であることが好ましい。焼結金属層１２１の開口の最大幅の寸法が５μｍ以下である場合、めっき層が焼結金属層１２１の開口端から広がって焼結金属層１２１の開口を覆うことが可能になる。

以下、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサの製造方法について説明する。図９は、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサの製造方法を示すフローチャートである。

図９に示すように、まず、セラミック粉末を含むセラミックペーストを、ダイコータ法、グラビアコータ法またはマイクログラビアコータ法などによりシート状に塗布して乾燥させることにより、セラミックグリーンシートを作製する(Ｓ１００)。

作製した複数のセラミックグリーンシートのうちの一部において、セラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法またはグラビア印刷法などにより内部電極形成用の導電ペーストを所定のパターンとなるように塗布する(Ｓ１１０)。

このようにして、内部電極となる導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートと、導電パターンが形成されていないセラミックグリーンシートとを用意する。なお、セラミックペーストおよび内部電極形成用の導電ペーストには、公知のバインダーおよび溶媒が含まれていてもよい。

導電パターンが形成されていない複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、その上に、導電パターンが形成された数百枚程度のセラミックグリーンシートを順次積層し、さらにその上に、導電パターンが形成されていない複数枚のセラミックグリーンシートを積層してセラミックブロックを形成する(Ｓ１２０)。

その後、静水圧プレスまたは金型プレスなどの手段により、セラミックブロックを積層方向に圧着する(Ｓ１３０)。次に、押し切り法またはサンダを用いた切削法などにより、セラミックブロックを直方体状の複数のセラミックチップに分割する(Ｓ１４０)。

セラミックチップをバレル研磨して(Ｓ１５０)、セラミックチップの角部および稜線部を丸める。角部および稜線部の曲率半径は、１５μｍ未満であることが好ましい。セラミックチップの角部および稜線部の曲率半径が１５μｍ以上である場合、後述する方法によって焼結金属層１２１の開口を形成することが難しくなる。

セラミックチップを焼成する(Ｓ１６０)ことにより硬化させて、素体１１０を作製する。焼成温度は、セラミック材料および導電材料の種類に応じて適宜設定され、たとえば、９００℃以上１３００℃以下の範囲内で設定される。

次に、素体１１０に撥油処理を施す(Ｓ１７０)。具体的には、ポリフルオロポリエーテル化合物を主成分として含み、ハイドロフルオロエーテルを溶媒として含む撥油剤を素体１１０の表面に塗布する。

その後、素体１１０の両端面に導電ペーストを塗布する(Ｓ１８０)。導電ペースト３０は、球状のガラスフリット、扁平状の金属粒子、バインダーおよび溶剤から構成されている。

図１０は、素体の端面に導電ペーストを塗布する状態を示す断面図である。図１０に示すように、素体１１０の他方の端面を接着シート１０に付着させて保持した状態で、素体１１０の一方の端面側を容器２０内の導電ペースト３０に漬けて引き上げることにより、素体１１０の一方の端面側に導電ペースト３０を付着させる。同様にして、素体１１０の他方の端面側にも導電ペースト３０を付着させる。

素体１１０は撥油処理を施されているため、素体１１０の表面に導電ペースト３０が付着しにくくなっている。上記のように、素体１１０の稜線部は１５μｍの未満の曲率半径の丸みを有しているため、扁平状の金属粒子は稜線部上にほとんど付着せず、球状のガラスフリットが主に稜線部に付着する。

このように導電ペースト３０を両端面に塗布した素体１１０を乾燥させて、たとえば７００℃程度の温度において加熱することにより導電ペースト膜を焼結させる。その結果、導電ペーストが素体１１０に焼き付けられて、焼結金属層１２１およびガラス層１３０が共に形成される。

すなわち、素体１１０の表面において、扁平状の金属粒子が付着した部分に焼結金属層１２１が形成され、球状のガラスフリットが付着した部分にガラス層１３０が形成される。このように、焼結金属層１２１の開口は、フッ素などを付着させる撥油処理を施された素体１１０に導電ペースト３０を塗布することにより形成される。

なお、セラミックチップに導電ペーストを塗布した後で焼成することにより、素体１１０と焼結金属層１２１とガラス層１３０とを同時に形成してもよい。

その後、素体１１０にめっきする(Ｓ２００)。電気めっきによりＮｉめっきおよびＳｎめっきをこの順で行なうことにより、Ｎｉめっき層１２２およびＳｎめっき層１２３を形成する。

具体的には、バレルめっき法によりＮｉめっき層１２２を設ける。焼結金属層１２１およびガラス層１３０が設けられた複数の素体１１０を収容したバレルをめっき槽内のめっき液中に浸漬した状態で回転させつつ通電することにより、焼結金属層１２１およびガラス層１３０上にＮｉめっき層１２２を設ける。同様にして、Ｎｉめっき層１２２上にＳｎめっき層１２３を設ける。

上記の工程により、積層セラミックコンデンサ１００を製造することができる。本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ１００においては、一方の端面１１０ａおよび４つの側面１１０ｂの各面上に位置する焼結金属層１２１は、それぞれの間に開口を挟んで互いに離間し、他方の端面１１０ａおよび４つの側面１１０ｂの各面上に位置する焼結金属層１２１は、それぞれの間に開口を挟んで互いに離間している。すなわち、焼結金属層１２１が素体１１０の面毎に分離している。

そのため、積層セラミックコンデンサ１００に熱応力が作用した際に、素体１１０と外部電極１２０との熱膨張率の違いによって素体１１０の全体に引張応力が及ぶことを抑制して素体１１０の稜線部にクラックを生じにくくすることができる。なお、必ずしも焼結金属層１２１が素体１１０の面毎に分離している必要はないが、素体１１０の稜線に沿う方向の開口の長さが長いほど、各面上に位置する焼結金属層１２１同士の接続部が小さくなるため、素体１１０の全体に引張応力が及ぶことを抑制できる。

また、焼結金属層１２１の開口の少なくとも一部をガラス層１３０によって埋めているため、仮に、素体１１０の稜線部にクラックが生じた場合に、そのクラックを覆うようにガラス層１３０が位置していれば、そのクラックから水分が浸入することを抑制できる。

よって、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ１００においては、熱応力によって素体１１０にクラックが発生することを抑制しつつ、仮にクラックが発生した場合にクラックから素体１１０内に水分が浸入することを抑制できる。

以下、ガラス層１３０を設けていない比較例および本実施形態に係る積層セラミックコンデンサにおいて、耐湿性について比較した実験例について説明する。

(実験例)
比較例および実施例の両方の積層セラミックコンデンサの共通の条件について説明する。素体１１０の長手方向Ｌの寸法、幅方向Ｗの寸法および厚さ方向Ｔの寸法は、１．０ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍとした。内部電極１１２同士の間の距離(セラミック層１１１の厚さ)の設計値を１．０μｍとした。内部電極１１２の厚さの設計値を１．０μｍとした。内部電極１１２の枚数を３５０枚とした。

素体１１０の端面１１０ａ上に位置する焼結金属層１２１の最大厚さを２８μｍとした。Ｎｉめっき層１２２の厚さの設計値を３μｍとした。Ｓｎめっき層１２３の厚さの設計値を３μｍとした。

ガラス層１３０を設けていない比較例の積層セラミックコンデンサを２０個作製した。具体的には、ガラスフリットの入っていない導電ペーストを用いて焼結金属層を形成した。

焼結金属層１２１の全ての開口がガラス層１３０によって埋められている実施例の積層セラミックコンデンサを２０個作製した。

比較例および実施例の両方の積層セラミックコンデンサを、温度が４０℃で湿度が９５％の雰囲気中に５００時間保持した後、６．３Ｖの電圧を印加して抵抗値を測定した。抵抗値が１．０×１０⁶Ω以下の積層セラミックコンデンサを耐湿性不良と判定した。

その結果、比較例の積層セラミックコンデンサにおいては、２０個中１３個が耐湿性不良であった。一方、実施例の積層セラミックコンデンサにおいては、耐湿性不良の積層セラミックコンデンサはなかった。

上記の実験例から、焼結金属層１２１の開口をガラス層１３０によって埋めることにより、焼結金属層１２１の開口から水分が素体１１０内に浸入することを抑制できることが確認できた。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 接着シート，３０ 導電ペースト，１００ 積層セラミックコンデンサ，１１０ 素体，１１０ａ 端面，１１０ｂ 側面，１１０ｃ，１１０ｄ 稜線，１１１ セラミック層，１１２ 内部電極，１２０ 外部電極，１２１ 焼結金属層，１２２，１２３ めっき層，１３０ ガラス層。

Claims (5)

1. 内部電極が埋設された誘電体セラミックからなり、互いに対向する１対の端面および該端面同士の間を結ぶ４つの側面を有する直方体状の素体と、
   前記素体の表面上において各前記端面から４つの前記側面のうちの少なくとも１つの前記側面に亘って設けられて前記内部電極と電気的に接続された外部電極とを備え、
   前記外部電極は、前記素体上に形成された焼結金属層および該焼結金属層を覆うめっき層を含み、
   前記焼結金属層は、前記素体の少なくとも１つの稜線上に開口を有し、
   前記開口の少なくとも一部はガラス層によって埋められている、積層セラミックコンデンサ。
2. 前記開口が前記めっき層により覆われている、請求項１に記載の積層セラミックコンデンサ。
3. 前記めっき層が、Ｎｉめっき層とＳｎめっき層とを含み、
   前記Ｎｉめっき層は、前記焼結金属層および前記開口を覆い、
   前記Ｓｎめっき層は、前記Ｎｉめっき層を覆っている、請求項２に記載の積層セラミックコンデンサ。
4. 前記焼結金属層および前記ガラス層は、球状のガラスフリットおよび扁平状の金属粒子を含む導電ペーストが前記素体に焼き付けられることにより共に形成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の積層セラミックコンデンサ。
5. 前記開口は、撥油処理が施された前記素体に前記導電ペーストを塗布することにより形成される、請求項４に記載の積層セラミックコンデンサ。

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