JP2018035041A - 誘電体組成物の製造方法 - Google Patents

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智志 和田
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美紀 渡邉
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Abstract

【課題】高い比誘電率を有する誘電体組成物及び温和な条件で製造可能な誘電体組成物の製造方法の提供。【解決手段】チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程を含む、比誘電率が180以上である誘電体組成物の製造方法、及びチタン酸バリウム粒子と、該チタン酸バリウム粒子の表面に被膜を形成するチタン酸バリウム被膜とを含み、比誘電率が180以上である、誘電体組成物。【選択図】図1

Description

本発明は、誘電体組成物及びその製造方法に関する。
ラップトップPC、スマートフォン、タブレット型デバイスといった小型の高機能電子機器では、ICの高周波数化に伴い電力供給の高速化や、スイッチングノイズの吸収のため、キャパシタの実装点数が急増している。その結果近年では、半導体パッケージ基板やプリント基板へのキャパシタの実装面積が不足し、キャパシタを小型高容量化して基板への埋め込む部品内蔵基板の技術開発や、基板内部でキャパシタを作り込むための高誘電フィルムの開発が盛んに行われている。
しかしながら、1000℃以上の高温で焼成した微小な薄型セラミックキャパシタを埋め込んだ部品内蔵基板の製造においては、部品の位置合わせ精度不足による接続不良や、基板内部におけるセラミック部品と高分子の基板材料との熱膨張率の違いによる基板のクラックや配線の断線が大きな問題としてクローズアップされている。一方、基板内部でキャパシタを作り込むための高誘電フィルムの開発に於いては、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムなどの高誘電性セラミック粒子をフィラーとしてポリマーフィルム中に高密度に充填する手法が用いられている。しかしながら、これらの高誘電性セラミック粒子は、1000℃以上の高温で焼結されてはいないため、個々のセラミック粒子は分散した状態で存在しており、如何に高密度に充填しても個々の粒子の接触は点接触で、分極の方向は不規則となり比誘電率は高々20〜30程度が限界であった。
そこで、セラミック粒子を高温で焼結せずに高い比誘電率を実現する手法として、300℃以下の温度で高圧下の有機溶媒中にセラミック粒子を入れ、ソルボサーマル反応でセラミック粒子表面にヘテロエピタキシャル層を形成しネッキング構造を作り、粒子と粒子を連結する方法が検討されている。これにより粒子間の接触が点接触から面接触になり、誘電率が飛躍的に向上することが知られている。例えば、特許文献1には、誘電体フィラーとしてチタン酸バリウムを用いてその表面をニオブ酸カリウムでネッキングしてなる高誘電体フィラーが記載されている。
特開2014−162709号公報
しかしながら、特許文献1に記載の誘電体フィラーは、電子部品には好ましくないニオブ酸カリウムで高誘電性のチタン酸バリウム粒子表面をネッキングしているため、高温高湿度下でカリウムがイオン化して流出し、部品の絶縁信頼性を損なうおそれがある。また、ニオブ酸カリウムをソルボサーマル反応温度で、チタン酸バリウムをネッキングする際の温度は200℃から230℃と低温であるが、その反応前にチタン酸バリウムのネッキング処理で1000℃という高温で処理するプロセスが必要であり、誘電体フィラーの合成プロセスが複雑かつ高エネルギー消費であった。
本発明は、上記課題を解決し、温和な条件で製造可能な誘電体組成物の製造方法、及び誘電体組成物を提供するものである。高い比誘電率を有する誘電体組成物は、半導体パッケージ、プリント配線板、及び半導体装置などで用いられるキャパシタ及びキャパシタを形成する高誘電フィルムに好適に用いられる。
本発明者らは、チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程を含む製造方法により、比誘電率が高い誘電体組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の内容を含む。
[1] チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程を含む、比誘電率が180以上である誘電体組成物の製造方法。
[2] 加熱温度が、80℃より高く300℃以下である、[1]に記載の誘電体組成物の製造方法。
[3] 反応液中の水酸化バリウムのモル数をAとし、反応液中のチタン原子のモル数をBとしたとき、0.80≦A/Bの関係を満たす、[1]又は[2]に記載の誘電体組成物の製造方法。
[4] 加熱時間が、18時間以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の誘電体組成物の製造方法。
[5] チタン酸バリウム粒子の平均粒子径が0.1μm〜0.5μmである、[1]〜[4]のいずれかに記載の誘電体組成物の製造方法。
[6] 二酸化チタン粒子の平均粒子径が、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径より小さい、[1]〜[5]のいずれかに記載の誘電体組成物の製造方法。
[7] チタン酸バリウム粒子と、該チタン酸バリウム粒子の表面に存在するチタン酸バリウム被膜とを含み、比誘電率が180以上である、誘電体組成物。
[8] チタン酸バリウム粒子同士が、チタン酸バリウム被膜を介して接触している、[7]に記載の誘電体組成物。
[9] チタン酸バリウム被膜が、ネッキング構造を形成している、[7]又は[8]に記載の誘電体組成物。
[10] チタン酸バリウム被膜が、ヘテロエピタキシャル層である、[7]〜[9]のいずれかに記載の誘電体組成物。
[11] チタン酸バリウム被膜が、二酸化チタン粒子と水酸化バリウム水溶液とを用いたソルボサーマル反応で形成される、[7]〜[10]のいずれかに記載の誘電体組成物。
[12] チタン酸バリウム粒子の平均粒子径が0.1μm〜0.5μmである、[7]〜[11]のいずれかに記載の誘電体組成物。
本発明によれば、温和な条件で製造可能な誘電体組成物の製造方法、及び半導体パッケージ、プリント配線板、及び半導体装置などで用いられるキャパシタ及びキャパシタを形成する高誘電フィルムに好適な高い比誘電率を有する誘電体組成物を得ることができる。
図1は、誘電体組成物の構造の一例を示す概略図である。 図2は、誘電体組成物のBF−STEM(明視野走査型透過電子顕微鏡像)データの一例を示した図面である。 図3は、誘電体組成物のHADDEF−STEM(高角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡像)データの一例を示した図面である。 図4は、チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子との混合物のBF−STEM(明視野走査型透過電子顕微鏡像)データの一例を示した図面である。 図5は、チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子との混合物のHADDEF−STEM(高角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡像)データの一例を示した図面である。
以下、本発明の誘導体組成物、及びその製造方法について説明する。
[誘電体組成物]
本発明の誘電体組成物は、チタン酸バリウム粒子と、該チタン酸バリウム粒子の表面に被膜を形成するチタン酸バリウム被膜とを含み、比誘電率が180以上である。
<誘電体組成物の構造>
一般に、セラミックス等の金属粒子は、体積密度が最密充填構造を超えると粒子同士の接触が点接触から面接触に変わり、比誘電率が大幅に向上する。このため、図1に一例を示すように、本発明の誘電体組成物1は、チタン酸バリウム粒子10同士がチタン酸バリウム被膜20を介して接触していることが好ましく、特に面接触していることがより好ましい。その中でも、チタン酸バリウム被膜がチタン酸バリウム粒子同士を部分的に面接触させたネッキング構造を形成していることが好ましい。これにより、チタン酸バリウム粒子10同士が相互に連なっていることが好ましい。
<チタン酸バリウム粒子>
チタン酸バリウム粒子としては、特に限定は無く、市販品を用いてもよく、例えば、堺化学工業社製「BT01」、「BT03」、「BT05」(全てチタン酸バリウム粒子)などが挙げられる。
チタン酸バリウム粒子の平均粒子径は、0.1〜0.5μmが好ましく、0.2〜0.5μmがより好ましく、0.3〜0.5μmがさらに好ましい。平均粒子径を0.1μm以上とすることで誘電体組成物の比誘電率を高くすることができ、平均粒子径を0.5μm以下とすることでチタン酸バリウム粒子が緻密な状態で含まれる誘電体組成物を形成することができる。平均粒子径は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定することができる。例えば、倍率5万倍以上で撮影した写真から、5視野を選びランダムに100粒子(100粒子に満たない場合は全粒子)を抽出し、その粒子の長径を計測し、その平均径を平均粒子径とすることができる。
<チタン酸バリウム被膜>
チタン酸バリウム被膜は、チタン酸バリウム粒子の表面を覆う被膜である。チタン酸バリウム被膜は、チタン酸バリウム粒子の表面全体を覆っていてもよく、チタン酸バリウム粒子の一部を覆っていてもよい。
チタン酸バリウム被膜は、詳細は後述するが、二酸化チタン粒子と水酸化バリウム水溶液とを反応させるソルボサーマル反応で形成されることが好ましい。チタン酸バリウム被膜をこのようなソルボサーマル反応で形成することで、チタン酸バリウム粒子表面にヘテロエピタキシャル成長が起こり、チタン酸バリウム被膜がヘテロエピタキシャル層となる。これにより、図2〜図3に一例を示したようにチタン酸バリウム粒子とチタン酸バリウム被膜とが一体化し、隣り合うチタン酸バリウム粒子同士が、チタン酸バリウム被膜を介して接触するようになる。この結果、誘電体組成物の比誘電率を180以上に向上させることができる。
ここで、ヘテロエピタキシャル成長とは、一つの相の周りに格子が連続して別種の相が結晶成長することを意味する。
チタン酸バリウム被膜の結晶構造は、特に限定されないが、比誘電率を効果的に高める観点から、ルチル型、アナターゼ型、ブルカイト型が挙げられ、ルチル型が好ましい。
チタン酸バリウム被膜の厚みとしては、誘電体組成物の比誘電率を効果的に高める観点から、0.01μm〜1μmが好ましく、0.1μm〜1μmがより好ましく、0.5μm〜1μmがさらに好ましい。チタン酸バリウム被膜の厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて反応前後の平均粒子径を測定し、標準偏差以上の有意な差を求めることで測定することができる。
チタン酸バリウム粒子とチタン酸バリウム被膜との量比(質量比)としては(チタン酸バリウム粒子:チタン酸バリウム)、1:0.5〜1:10が好ましく、1:1〜1:8がより好ましく、1:1〜1:6がさらに好ましい。このような量比とすることで、誘電体組成物の比誘電率を効果的に高めることができる。
誘電体組成物は、チタン酸バリウム粒子とチタン酸バリウム被膜との他に、例えば後述するバインダーポリマー等の他の成分を含んでいてもよい。
<誘電体組成物の物性>
本発明の誘電体組成物の比誘電率は、180以上であり、好ましくは200以上、より好ましくは250以上、又は300以上である。上限は特に限定されないが、10000以下とし得る。比誘電率は、後述する<電気特性評価>に記載の方法に従って測定することができる。
本発明の誘電体組成物の誘電損失は、0.1以下が好ましく、0.05以下がより好ましく、0.03以下がさらに好ましい。下限は特に限定されないが、0.0001以上とし得る。誘電損失は、後述する<電気特性評価>に記載の方法に従って測定することができる。
本発明の誘電体組成物の密度は、50〜100%が好ましく、60〜90%がより好ましく、70〜85%がさらに好ましい。密度は、後述する<密度の測定>に記載の方法に従って測定することができる。
[誘電体組成物の製造方法]
本発明の誘電体組成物の製造方法は、チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程を含む。この工程を含むことで、上記誘電体組成物を製造することができ、且つ上記誘電体組成物の比誘電率を180以上とすることができる。
本発明の誘電体組成物の製造方法は、通常、チタン酸バリウム粒子及び二酸化チタン粒子を含む混合物と、水酸化バリウム水溶液とを混合して反応液を得る工程と、この反応液を加熱する工程と、を含む。
本発明の誘電体組成物の製造方法は、さらに、チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とを含む混合物を作製する工程(以下、「工程1」ということがある。)、混合物を成形する工程(以下、「工程2」ということがある。)、及び混合物を熱処理する工程(以下、「工程3」ということがある。)を含んでいてもよい。以下、各工程について説明する。
<チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とを含む混合物を作製する工程(工程1)>
誘電体組成物の製造方法は、まずはじめにチタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とを含む混合物を作製する。チタン酸バリウム粒子については上記したとおりであり、好ましい範囲も同様である。
二酸化チタン粒子は、チタンのアルコキシドを加水分解して得られるアモルファス状の二酸化チタンや、結晶型がルチル型、アナターゼ型の二酸化チタンを用いることができるが、ルチル型の二酸化チタン粒子が好ましい。二酸化チタン粒子は市販品を用いてもよく、例えば、石原産業社製「MPT−851」などが挙げられる。
二酸化チタン粒子の平均粒子径は、0.001μm〜0.03μmが好ましく、0.001μm〜0.02μmがより好ましく、0.001μm〜0.01μmがさらに好ましい。二酸化チタン粒子の平均粒子径は、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径と同様の方法により測定することができる。
二酸化チタン粒子の平均粒子径は、チタン酸バリウム被膜を緻密に形成するという観点から、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径よりも小さいことが好ましい。具体的には、二酸化チタン粒子の平均粒子径をR(μm)、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径をR(μm)としたとき、Rが0.1μmの場合、Rは0.001μm〜0.01μmであることが好ましく、Rが0.5μmの場合、Rは0.001μm〜0.03μmであることが好ましい。
チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子との混合比率(モル比)としては(チタン酸バリウム粒子:二酸化チタン粒子)、1:10〜10:1が好ましく、1:3〜3:1がより好ましく、1:1.5〜1.5:1、又は1:1がさらに好ましい。チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子との混合比率を上記範囲内とすることで誘電体組成物の比誘電率を効果的に高めることができる。
混合物は、チタン酸バリウム粒子及び二酸化チタン粒子の他に、ポーラスな構造を形成するために、バインダーポリマーを含有させることが好ましい。
バインダーポリマーとしては、樹脂が好ましく、例えば、ポリビニルブチラールが用いられ、樹脂以外のバインダーポリマーとしてカーボンブラック等を用いてもよい。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を用いてもよい。
バインダーポリマーの含有量は特に規定するものではなく、後述する混合物を成型する工程、熱処理工程で、成型したものが壊れない程度の強度を保つ程度で十分であり、通常は、混合物の不揮発成分を100質量%とした場合、2.0質量%程度が用いられる。
図4及び図5に一例を示したように、チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とを含む混合物、即ち混合物を熱処理する前は、チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とが一体化していないことがわかる。一方、図2〜図3に一例を示したように、工程4終了後は、チタン酸バリウム粒子とチタン酸バリウム被膜とが一体化し、隣り合うチタン酸バリウム粒子同士が、チタン酸バリウム被膜を介して接触している。
<混合物を成形する工程(工程2)>
本発明の誘電体組成物の製造方法は、工程1で作製した、混合物を成形する工程(工程2)を用いることもできる。工程2を行うことにより、得られる誘電体組成物の密度を上昇させることができる。
工程2の好適な実施形態として、工程1で作製された混合物を工程2で荷重をかけペレット状に加工される。具体的には工程1で得た混合物を金型に詰め込み、油圧プレスを用いて圧力(好ましくは約2t)をかけ、ディスク状に成形する。
<混合物を熱処理する工程(工程3)>
本発明の誘電体組成物の製造方法は、工程2で成形した混合物を熱処理する工程(工程3)を用いることもできる。熱処理を行うことにより、一定の形状と強度とを有する混合物ペレットを得ることができる。工程3の好適な実施形態として、工程2でディスク状に成形した混合物を熱処理する。
熱処理の詳細は、好ましくは150℃〜700℃(より好ましくは200℃〜650℃、さらに好ましくは250℃〜600℃)まで、好ましくは1時間〜16時間(より好ましくは2時間〜15.5時間、さらに好ましくは3時間〜15時間)かけて昇温する。熱処理は、1段階で昇温してもよく、2段階以上に分けて昇温してもよい。また、所定の温度まで昇温させた後、所定の温度で1時間〜16時間(好ましくは2時間〜15.5時間、より好ましくは3時間〜15時間)保持してもよい。
工程1で作製した混合物にバインダーが含まれる場合、この工程における熱処理にてバインダーが焼失し(脱バインダー処理)、ポーラスな混合物ペレットが形成される。混合物がポーラスな構造を有すると混合物の表面積が大きくなる。このため、孔内に水酸化バリウム水溶液が内包しやすくなり、且つ、水酸化バリウムと混合物内の二酸化チタンとがより多く反応することが可能となる。よって、隣り合うチタン酸バリウム粒子同士がチタン酸バリウム被膜を介して接触している誘電体組成物を容易に得ることができる。混合物にバインダーが含まれる場合の熱処理は上記したとおりであり、好ましい範囲も同様である。
<チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程(工程4)>
誘電体組成物の製造方法は、チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程4を含む。工程4は、混合物中の二酸化チタン粒子と水酸化バリウムとを加熱反応させ、チタン酸バリウム粒子の表面をチタン酸バリウム被膜で被膜させる工程である。上記したが、工程4は、通常、チタン酸バリウム粒子及び二酸化チタン粒子を含む混合物と、水酸化バリウム水溶液とを混合して反応液を得る工程と、この反応液を加熱する工程と、を含む。
−チタン酸バリウム粒子及び二酸化チタン粒子を含む混合物と、水酸化バリウム水溶液とを混合して反応液を得る工程−
工程1〜3にて混合物ペレットを用意した後で、混合物と水酸化バリウム水溶液とを混合して反応液を得る工程を行う。
水酸化バリウム水溶液のモル濃度としては、二酸化チタン粒子のモル比によって適宜変更することができるが、例えば、0.001〜0.3mol/lが好ましく、0.05〜0.2mol/lがより好ましく、0.09〜0.15mol/lがさらに好ましい。
反応液中の水酸化バリウムのモル数をAとし、反応液中のチタン原子のモル数をBとしたとき、誘電体組成物の比誘電率を効果的に高める観点から、0.80≦A/Bの関係を満たすことが好ましく、0.80≦A/B≦10の関係を満たすことが好ましく、1≦A/B≦8の関係を満たすことがより好ましく、1≦A/B≦5、又は1≦A/B≦3の関係を満たすことがさらに好ましい。
−反応液を加熱する工程−
反応液を加熱する工程は、混合物中の二酸化チタン粒子と水酸化バリウムとを加熱反応させ、チタン酸バリウム被膜を形成できれば反応方法は特に限定されず、例えばソルボサーマル反応、水熱合成法等により加熱してもよい。
工程4の好適な一実施形態は、300℃以下の温度で合成が可能である観点から、混合物と水酸化バリウム水溶液とを容器に入れ、高温高圧下で反応させることで誘電体組成物を合成する、即ち混合物中の二酸化チタン粒子と水酸化バリウム水溶液とを高温高圧下で反応させ、チタン酸バリウム被膜を形成するソルボサーマル反応である。工程4がソルボサーマル反応であることにより、チタン酸バリウム被膜がヘテロエピタキシャル成長で形成されたヘテロエピタキシャル層となり、図2〜図3に一例を示したようにチタン酸バリウム粒子とチタン酸バリウム被膜とが一体化し、隣り合うチタン酸バリウム粒子同士が、チタン酸バリウム被膜を介して接触するようになる。この結果、誘電体組成物の比誘電率を効果的に高めることができる。
ソルボサーマル反応における加熱(反応)温度は、80℃より高く300℃以下が好ましく、90℃〜250℃がより好ましく、100℃〜250℃がさらに好ましい。反応温度を上記範囲内にすることにより、誘電体組成物の比誘電率を180以上にすることができる。ここで、加熱(反応)温度とは、ソルボサーマル反応における最高温度を表す。
ソルボサーマル反応における加熱(反応)時間は、反応温度に依存し、例えば100℃で加熱した場合、18時間加熱すると比誘電率は398となる。また、230℃で加熱した場合、0時間でも比誘電率が300を超え、250℃で加熱した場合は0時間で比誘電率が326となり、5時間で比誘電率が585となり、10時間で比誘電率が640となり、18時間で比誘電率が653という高い比誘電率を得ることができる(詳細は後述の実施例を参照)。したがって、反応温度に依存するが、高い比誘電率の達成と、反応温度、工程時間によるコストの観点から、加熱時間は18時間以下が好ましく、10時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。上限は特に限定されないが0時間以上である。ここで、加熱(反応)時間とは、上記反応温度まで昇温した後、反応温度で保持した時間(保持時間)を表す。
本発明の誘電体組成物の製造方法によって得られる誘電体組成物は、半導体パッケージ、プリント配線板、及び半導体装置などで用いられるキャパシタ及びキャパシタを形成する高誘電フィルムに好適に使用することができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の記載において、「部」及び「%」は、別途明示のない限り、それぞれ「質量部」及び「質量%」を意味する。
[誘電体組成物の作製]
<実施例1>
−チタン酸バリウム粒子と二酸化チタン粒子とを含む混合物の作製−
チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム、堺化学工業社製、BT03、平均粒子径0.3μm、比表面積4.0±0.4m/g)5.10gと二酸化チタン粒子(石原産業社製、MPT−851、平均粒子径0.6μm)14.90gを秤量し、濃度が10%のポリビニルブチラール(関東化学工業社製、エタノール溶液)4gを加え、直径3mmのジルコニアボール200gとエタノール175mlとともに250mlのナロゲンポットに入れ、ボールミル250rpmで混合した。17時間後、これをバットにとり80℃で3時間乾燥後、乾燥した混合物を乳鉢で粉砕後、250メッシュで篩分し、チタン酸バリウムと二酸化チタン粒子との等モル(混合粉)を作製した。
−混合物の成形−
チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム)と二酸化チタン粒子との等モルの混合物を約0.1g秤量し、2tの荷重をかけて直径10mm、厚み約5mmとなるようにプレス成型した。
−熱処理(脱バインダー処理)−
成形した混合物を、室温から250℃まで2時間30分かけて昇温し、ついで250℃から600℃まで11時間40分かけて昇温した。その後600℃で10時間保持して、熱処理(脱バインダー処理)を行い、室温まで放冷して、ソルボサーマル反応の原料となるチタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム)と二酸化チタン粒子とを等モル含むポーラスな混合物ペレット(混合粉ペレット)を得た。
−ソルボサーマル反応−
脱バインダー処理を行った混合粉ペレット2枚を0.195g秤量し、100mlのテフロン(登録商標)容器(オートクレーブ)に2枚づつ入れた。混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数に対して、Ba(OH)のモル数が5.0倍となるように((Ba(OH)のモル数/混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数)=5.0)に、0.00311モルのBa(OH)を用いて、モル濃度が0.100モル/lのBa(OH)水溶液を調整し、前記テフロン(登録商標)容器に入れ、真空脱気してソルボサーマル反応液とした。このテフロン(登録商標)容器を加熱炉に入れ、室温から250℃まで1時間30分かけて昇温し、18時間保持した後、室温まで放冷しソルボサーマル反応を終了した。回収したペレットは、水洗後エタノール洗浄を行い、電気特性評価用ペレットとした。
<電気特性評価>
電気特性評価用ペレットを、厚み0.4mmになるまで研磨し、300℃で1時間30分加熱処理後、300℃で10分間金電極スパッタを行った。これを25℃で1時間放冷し、2mm角に切り出し、インピーダンスアナライザー(アジレントテクノロジー社製、製品名4294)を用いて印加電圧0.5V、周波数1MHzの条件で比誘電率及び誘電損失の測定を行った。
<密度の測定>
アルキメデス法により電気特性評価用ペレットの密度を測定した。具体的には、電気特性評価用ペレットの乾燥質量を測定し、次に、電気特性評価用ペレットを水中に入れて脱泡処理を行った。電気特性評価用ペレットが多孔体の場合、開気孔部分に水が侵入し、電気特性評価用ペレットの質量が増大する。その状態でアルキメデス法により、浮力を測定した。その後、電気特性評価用ペレットの表面の液体を除去した後、水を含んだ電気特性評価用ペレットの質量を測定した。この質量と乾燥質量との差から水の質量を求め、測定温度より水の密度を計算した。この計算結果から、電気特性評価用ペレットの密度を計算した。
<実施例2〜5、比較例1〜2>
実施例1において、反応温度を下記表に示した値に変えた。以上の事項以外は実施例1と同様にして電気特性評価用ペレットを作製し、電気特性の評価及び密度の測定を行った。
上記表からわかるように、反応温度を100℃以上とすることで、誘電体組成物の比誘電率の値は180以上となり、反応温度の上昇とともに比誘電率の値も向上することがわかる。一方、比較例1、2の結果より、反応温度が80℃以下の温度では比誘電率は180以上とならないことがわかる。
<実施例6>
実施例2において、ソルボサーマル反応を、以下に示したソルボサーマル反応に変えた。以上の事項以外は実施例2と同様にして電気特性評価用ペレットを得、密度並びに印加電圧0.5V、周波数1MHzの条件で比誘電率及び誘電損失の測定を行った。
−ソルボサーマル反応−
脱バインダー処理を行った混合粉ペレット2枚を0.1957g秤量し、100mlテフロン(登録商標)容器(オートクレーブ)に2枚づつ入れた。混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数に対して、Ba(OH)のモル数が0.160倍となるように、0.005モルのBa(OH)を用いて、モル濃度が0.160モル/lのBa(OH)水溶液を調整し、前記テフロン(登録商標)容器に入れ、真空脱気して、ソルボサーマル反応液とした。このテフロン(登録商標)容器を加熱炉に入れ室温から230℃まで1時間30分かけて昇温し、18時間保持した後、室温まで放冷しソルボサーマル反応を終了した。回収したペレットは、水洗後エタノール洗浄を行い、電気特性評価用ペレットとした。
<実施例7〜9、比較例3>
実施例6において、Ba(OH)のモル数/混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数(Ba/Ti)、及びBa(OH)水溶液のモル濃度を下記表に示した値に変えた。以上の事項以外は実施例6と同様にして電気特性評価用ペレットを作製し、電気特性の評価及び密度の測定を行った。
参考のために、実施例2を上記表に記載した。比較例3より、Ba/Tiが0.50以下であると、誘電体組成物の比誘電率の値が180以下となり、本発明の誘電体組成物を得ることはできなかった。またBa/Tiが1.00以上であると、誘電体組成物の比誘電率は400を超える高い値が得られ、Ba/Tiが3倍を超えると、誘電体組成物の比誘電率は600以上に向上することがわかる。
<実施例10>
実施例1において、ソルボサーマル反応を、以下に示したソルボサーマル反応に変えた。以上の事項以外は実施例1と同様にして電気特性評価用ペレットを得、密度並びに印加電圧0.5V、周波数1MHzの条件で比誘電率及び誘電損失の測定を行った。
−ソルボサーマル反応−
脱バインダー処理を行った混合粉ペレット2枚を0.1954g秤量し、100mlのテフロン(登録商標)容器(オートクレーブ)に2枚づつ入れた。混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数に対して、Ba(OH)のモル数が5.0倍となるように、0.00313モルのBa(OH)を用いて、モル濃度が0.100モル/lのBa(OH)水溶液を調整し、前記テフロン(登録商標)容器に入れ、真空脱気して、ソルボサーマル反応液とした。このテフロン(登録商標)容器を加熱炉に入れ室温から250℃まで1時間30分かけて昇温し、10時間保持した後、室温まで放冷しソルボサーマル反応を終了した。回収したペレットは、水洗後エタノール洗浄を行い、電気特性評価用ペレットとした。
<実施例11〜17、比較例4〜5>
実施例10において、反応温度及び反応時間を下記表に示した値に変えた。以上の事項以外は実施例10と同様にして電気特性評価用ペレットを作製し、電気特性の評価及び密度の測定を行った。
参考のために、実施例1〜2及び実施例5を上記表に記載した。上記表からわかるように、反応温度が高いほど、また反応時間が長いほど、誘電体組成物の比誘電率は高い値を示すことがわかる。また、実施例17にみられるように、反応温度が100℃であっても、10時間保持することで誘電体組成物の比誘電率が180以上となることがわかる。
<実施例18>
実施例1において、チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム、堺化学工業社製、BT03、平均粒子径0.3μm、比表面積4.0±0.4m/g)を、チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム、堺化学工業社製、BT05、平均粒子径0.5μm、比表面積2.3±0.3m/g)に変え、ソルボサーマル反応を、以下に示したソルボサーマル反応に変えた。以上の事項以外は実施例1と同様にして電気特性評価用ペレットを作製し、電気特性の評価を行った。
<実施例19>
実施例1において、チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム、堺化学工業社製、BT03、平均粒子径0.3μm、比表面積4.0±0.4m/g)を、チタン酸バリウム粒子(チタン酸バリウム、堺化学工業社製、BT01、平均粒子径0.1μm、比表面積13±3m/g)に変え、ソルボサーマル反応を、以下に示したソルボサーマル反応に変えた。以上の事項以外は実施例1と同様にして電気特性評価用ペレットを作製し、電気特性の評価を行った。
−実施例18〜19のソルボサーマル反応−
脱バインダー処理を行った混合粉ペレット2枚を下記表に示したとおりに正確に秤量し、100mlのテフロン(登録商標)容器(オートクレーブ)に2枚づつ入れた。混合粉ペレットに含まれるチタン原子のモル数に対して、Ba(OH)のモル数が5.0倍となるように、下記表に示したモル濃度のBa(OH)水溶液を調整し、所定量を前記テフロン(登録商標)容器に入れ、真空脱気してソルボサーマル反応液とした。このテフロン(登録商標)容器を加熱炉に入れ、室温から250℃まで1時間30分かけて昇温し、18時間保持した後、室温まで放冷しソルボサーマル反応を終了した。回収したペレットは、水洗後エタノール洗浄を行い、電気特性評価用ペレットとした。
参考のために、実施例1を上記表に記載した。上記表からわかるように、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径が大きくなるとともに、誘電体組成物の比誘電率も大きくなることがわかる。
1 誘電体組成物
10 チタン酸バリウム粒子
20 チタン酸バリウム被膜

Claims (12)

  1. チタン酸バリウム粒子、二酸化チタン粒子、及び水酸化バリウム水溶液を含む反応液を加熱する工程を含む、比誘電率が180以上である誘電体組成物の製造方法。
  2. 加熱温度が、80℃より高く300℃以下である、請求項1に記載の誘電体組成物の製造方法。
  3. 反応液中の水酸化バリウムのモル数をAとし、反応液中のチタン原子のモル数をBとしたとき、0.80≦A/Bの関係を満たす、請求項1又は2に記載の誘電体組成物の製造方法。
  4. 加熱時間が、18時間以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の誘電体組成物の製造方法。
  5. チタン酸バリウム粒子の平均粒子径が0.1μm〜0.5μmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の誘電体組成物の製造方法。
  6. 二酸化チタン粒子の平均粒子径が、チタン酸バリウム粒子の平均粒子径より小さい、請求項1〜5のいずれか1項に記載の誘電体組成物の製造方法。
  7. チタン酸バリウム粒子と、該チタン酸バリウム粒子の表面に存在するチタン酸バリウム被膜とを含み、比誘電率が180以上である、誘電体組成物。
  8. チタン酸バリウム粒子同士が、チタン酸バリウム被膜を介して接触している、請求項7に記載の誘電体組成物。
  9. チタン酸バリウム被膜が、ネッキング構造を形成している、請求項7又は8に記載の誘電体組成物。
  10. チタン酸バリウム被膜が、ヘテロエピタキシャル層である、請求項7〜9のいずれか1項に記載の誘電体組成物。
  11. チタン酸バリウム被膜が、二酸化チタン粒子と水酸化バリウム水溶液とを用いたソルボサーマル反応で形成される、請求項7〜10のいずれか1項に記載の誘電体組成物。
  12. チタン酸バリウム粒子の平均粒子径が0.1μm〜0.5μmである、請求項7〜11のいずれか1項に記載の誘電体組成物。
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