JP2018200979A

JP2018200979A - コンデンサ

Info

Publication number: JP2018200979A
Application number: JP2017105691A
Authority: JP
Inventors: 信儀藤川; Nobuyoshi Fujikawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2018-12-20

Abstract

【課題】静電容量が高く、かつ耐電圧の高いコンデンサを提供する。【解決手段】誘電体層５と内部電極層７とが交互に複数層積層されたコンデンサ本体１を備えており、誘電体層５は複数の金属粒子１３ａを含んでおり、該複数の金属粒子１３ａは誘電体層５の表面から離れた位置に、表面５ａに沿って列を成す金属粒子列１３を有している。金属粒子１３ａは粒径が０．２μｍ以上０．４μｍ以下であり、金属粒子列１３は誘電体層５の表面５ａから０．４μｍ以上離れている。【選択図】図１

Description

本開示は、積層型のコンデンサに関する。

近年、積層型のコンデンサ（以下、コンデンサと表記する。）は、小型化および高容量化のために、誘電体層および内部電極層の薄層化が進展している（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−１３２０５６号公報

本開示のコンデンサは、誘電体層と内部電極層とが交互に複数層積層されたコンデンサ本体を備えているコンデンサであって、前記誘電体層は複数の金属粒子を含んでおり、該複数の金属粒子は前記誘電体層の表面から離れた位置に、前記表面に沿って列を成す金属粒子列を有しているものである。

本実施形態のコンデンサの構造を示すものであり、（ａ）は外観の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１（ｃ）のＰ部を拡大した断面図である。本実施形態のコンデンサの製造工程の一部を示すものであり、セラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを印刷したときの状態変化を示す断面模式図である。

従来より、コンデンサにおける誘電体層の薄層化はコンデンサの静電容量を高める重要な手段の一つとなっている。しかしながら、誘電体層の厚みが薄くなってくると絶縁性の低下に伴ってコンデンサの耐電圧が低下しやすくなる。本開示はこのような課題に対処したものであり、その目的は、静電容量が高く、かつ耐電圧の高いコンデンサを提供することにある。

以下、本開示のコンデンサについて、図１および図２を基に説明する。図１は、本実施形態のコンデンサの構造を示すものであり、（ａ）は外観の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２は、図１（ｃ）のＰ部を拡大した断面図である。

本実施形態のコンデンサは、コンデンサ本体１と、その端面に設けられた外部電極３とを備えている。コンデンサ本体１は、誘電体層５と内部電極層７とが交互に複数層積層されたものである。この場合、コンデンサ本体１は、静電容量を発現する容量部９と、容量部９を取り囲むように配置され、静電容量を発現しない非容量部１１とで構成されている。

ここで、本実施形態のコンデンサは、誘電体層５中に複数の金属粒子１３ａが列を成すように配置された金属粒子列１３を有している。金属粒子列１３は誘電体層５の表面５ａ（主面）から離れた位置に形成されている。金属粒子列１３は誘電体層５の表面５ａに沿うように配置されている。金属粒子列１３というのは、金属粒子１３ａが隣接する金属粒
子１３ａ同士で１μｍ以下の間隔で並んでいる状態のことを言う。

誘電体層５中に上記のような構成で金属粒子列１３が形成されたコンデンサは、金属粒子列１３が形成されていないコンデンサに比較して静電容量を高くすることができる。これは誘電体層５中に金属粒子列１３が存在することにより、１層の誘電体層５を挟んで設けられている２つの内部電極層７の間に発生する静電容量に加えて、誘電体層５中の金属粒子列１３と内部電極層７との間に発生する静電容量が加わることに起因していると考えられる。

この場合、誘電体層５中に存在する金属粒子列１３は、内部電極層７に接触すること無しに誘電体層５内に形成されている。このため誘電体層５を挟んで絶縁されている２つの内部電極層７間の距離は、金属粒子列１３を有しない場合とほとんど変わらないものとなっている。そのため誘電体層５中に金属粒子列１３が形成された場合でも、金属粒子列１３が形成されていないコンデンサと同等の耐電圧を得ることができる。こうして耐電圧を維持したままで静電容量の高いコンデンサを得ることができる。このような特性の得られるコンデンサとしては、金属粒子列１３を有する誘電体層５の層数比が１０％以上あれば良い。

上述したように、金属粒子列１３は、誘電体層５の表面５ａに沿うような状態で形成されているのが良い。金属粒子列１３が誘電体層５の表面５ａに沿う状態で形成されていると、誘電体層５を介して両表面５ａに設けられている２つの内部電極層７から金属粒子１３ａまでの距離が一様なものになる。このため誘電体層５の内部に形成される電気力線の密度分布を一様なものにできる。これにより電界を印加することにより出力される電気特性（静電容量および耐電圧）のばらつきを小さくすることができる。この場合、金属粒子列１３が誘電体層５の表面５ａに沿う状態とは、金属粒子列１３が誘電体層５の表面５ａに沿った直線上に載るように配置されている状態のことを言う。具体的には、例えば、誘電体層５を断面視し、金属粒子列１３の中で誘電体層５の表面５ａから最も近い位置と最も離れた位置との距離の最大差が０．３μｍ以内にあるものを言う。この評価は金属粒子列１３の中で長さが５０μｍの範囲とする複数の箇所を評価する。例えば、１層の誘電体層５の中で測定する箇所を３〜５箇所とし、このような評価をコンデンサ本体１を積層方向に３等分した各領域から抽出した１層の誘電体層５について行う。

また、金属粒子列１３が誘電体層５中に存在する場合には、元々、誘電体層５の熱膨張係数が内部電極層７の熱膨張係数よりも小さいことから、誘電体層５の熱膨張係数を内部電極層７の熱膨張係数に近づけることが可能になる。これにより誘電体層５と内部電極層７との間の熱応力を小さくすることができる。その結果、コンデンサが急激な温度変化を受けるような環境に置かれた場合にもクラックなどが発生し難くなり、耐熱衝撃性を高めることができる。

金属粒子列１３の条件としては、金属粒子１３ａの粒径Ｄは平均で０．２〜０．４μｍであるのが良い。また、金属粒子列１３と誘電体層５の表面５ａとの距離Ｗ_１は０．４μｍ以上であるのが良い。距離Ｗ_１が最大となるのは、金属粒子１３ａが誘電体層５の厚み方向の中央に位置したときである。また、金属粒子列１３は、金属粒子１３ａの直径Ｄに対する、隣接している金属粒子１３ａ同士の間隔ｗ_２の比（Ｗ_２／Ｄ）が０．５〜２の範囲にあるのが良い。

なお、金属粒子１３ａの粒径Ｄ、金属粒子列１３と誘電体層５の表面５ａとの距離Ｗ_１、金属粒子１３ａ同士の間隔ｗ_２およびＷ_２／Ｄは、コンデンサ本体１の断面を走査電子顕微鏡により撮影した写真を用いて測定する。金属粒子１３ａの粒径Ｄは、コンデンサ本体１の断面から、例えば、長さ５０μｍの長さで金属粒子列１３を抽出し、その金属粒子
列１３に含まれる各金属粒子１３ａの最大径を測定し、平均値を求める。このような測定を同じ長さの金属粒子列１３を３〜５箇所抽出し、その平均値を求めても良い。金属粒子列１３と誘電体層５の表面５ａとの距離Ｗ_１および金属粒子１３ａ同士の間隔Ｗ_２ならびにＷ_２／Ｄについても、金属粒子１３ａの粒径Ｄを測定した金属粒子列１３を用いる。

また、金属粒子列１３は誘電体層５を平面視したときに、内部電極層７が形成されている領域と同じ面積に相当する領域に形成されているのが良い。この場合、金属粒子列１３は、コンデンサの中で誘電体層５を挟んでいる２つの内部電極層７によって静電容量が発現される容量部９の部分だけでなく、静電容量を発現しない非容量部１１の領域における誘電体層５の内部にも形成されているのが良い。これにより非容量部１１においても誘電体層５の熱膨張係数を内部電極層７の熱膨張係数に近づけることができる。その結果、非容量部１１の領域の熱応力を小さくすることが可能となり、耐熱衝撃性をさらに高めることができる。

金属粒子列１３はどのような厚みｔの誘電体層５にも適用することが可能であるが、特に、誘電体層５の平均厚みが０．５〜３μｍであり、また、内部電極層７の平均厚みが０．５〜２μｍであるコンデンサに好適なものとなる。また、誘電体層５および内部電極層７の１単位を１層としたときの積層数が１００層以上である多積層のコンデンサに適している。

誘電体層５を形成するための材料としては、例えば、強誘電性を示すチタン酸バリウムを主成分とする誘電体材料が好適なものとなるが、これに限らず、酸化チタン、チタン酸ストロンチウムおよびチタン酸カルシウムなど常誘電性を示す誘電体材料でも同様の効果を得ることができる。なお、上記した主成分に対して、所望の誘電特性に合わせて、例えば、マグネシウム、希土類元素およびマンガンの各酸化物を含ませて用いるのが良い。

内部電極層７および外部電極３に好適な材料としては、銀、パラジウムなどの貴金属材料の他、ニッケル、銅などの卑金属材料を挙げることができる。

次に、本実施形態のコンデンサの製造方法について説明する。本実施形態のコンデンサは、内部電極パターンを形成するための導体ペーストとして、以下に示す導体ペーストを用いる以外は、コンデンサの慣用的な製造方法によって作製できる。本実施形態のコンデンサを製造においては、導体ペーストとして、セラミックグリーンシートの表面に内部電極パターンを形成したときに、導体ペーストに含ませた溶剤がセラミックグリーンシートの特定の厚みの領域において高い割合でシートアタックを発生させるものを用いる。後述する実施例を例に取ると、セラミックグリーンシート２１に含ませる樹脂としてブチラール系樹脂を用いたときに、導体ペーストとしてブチルセロソルブを含ませたものを用いるのが良い。

図３は、本実施形態のコンデンサの製造工程の一部を示すものであり、セラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを印刷したときの状態変化を示す断面模式図である。図３に示すように、本実施形態のコンデンサを製造する場合には、セラミックグリーンシート２１の表面に導体ペーストを印刷して内部電極パターン２３を形成した後に、セラミックグリーンシート２１の表面から所定の深さに導体ペーストの一部が侵入した侵入部２５がセラミックグリーンシート２１の表面付近に形成される。これを利用して誘電体層５内に金属粒子１３ａが並んだ金属粒子列１３を形成することができる。この場合、金属粒子１３ａは、内部電極パターンに含まれる金属粉末に由来している。本実施形態のコンデンサは、導体ペーストを構成する金属粉末に対する溶媒の含有量、導体ペーストに含ませる溶媒の組合せ、セラミックグリーンシート２１に含まれる樹脂と導体ペーストに含まれる溶媒との組合せ等を調整することによって得ることができる。セラミックグリーンシート
２１に含まれる樹脂に対して、導体ペーストに含まれる溶媒の組合せまたは溶媒の含有量によっては、セラミックグリーンシート２１が過度に溶解して、セラミックグリーンシート２１が形状を保てなったりセラミックグリーンシート２１が溶解し難いために、セラミックグリーンシート２１内に侵入部１５が形成されない場合がある。金属粒子１３ａは、導体ペーストに含ませた金属粉末が２個以上で焼結した焼結粒子とともに、金属粉末が単独のまま加熱された状態となっている。以下、実施例にて詳細に説明する。

以下、コンデンサを具体的に作製して特性評価を行った。まず、誘電体粉末を調製するための原料粉末として、チタン酸バリウム粉末（ＢａＴｉＯ_３）、炭酸マグネシウム粉末（Ｍｇ_２ＣＯ_３）、酸化ディスプロシウム粉末（Ｄｙ_２Ｏ_３）、炭酸マンガン粉末（ＭｎＣＯ_３）およびガラス粉末（ＳｉＯ_２＝５５、ＢａＯ＝２０、ＣａＯ＝１５、Ｌｉ_２Ｏ_３＝１０（モル％））およびを準備した。誘電体粉末は、チタン酸バリウム粉末１００モルに対して、酸化マグネシウム粉末（ＭｇＯ）をＭｇＯ換算で０．８モル、酸化ディスプロシウム粉末（Ｄｙ_２Ｏ_３）を０．８モル、ＭｎＣＯ_３粉末をＭｎＯ換算で０．３モル添加し、さらにガラス成分（ＳｉＯ_２−ＢａＯ−ＣａＯ系のガラス粉末）をチタン酸バリウム粉末１００質量部に対して１質量部添加した組成とした。

上記した誘電体粉末に有機ビヒクルを混合し調製したスラリーを用いてドクターブレード法によってセラミックグリーンシートを作製した。セラミックグリーンシートを調製する際の有機ビヒクルに含ませる樹脂としてはブチラール系樹脂を用いた。ブチラール系樹脂の添加量は誘電体粉末１００質量部に対して１０質量部とした。溶媒にはエチルアルコールとトルエンとを１：１で混合した溶媒を用いた。

内部電極パターンを形成するための導体ペースト用の金属としてはニッケル粉末を用いた。導体ペーストを調製するための樹脂としてはエチルセルロースを用いた。エチルセルロースの添加量はニッケル粉末１００質量部に対して５質量部とした。溶媒としてはジヒドロターピネオール系溶媒とブチルセロソルブとを混合して用いた。表１にジヒドロターピネオール系溶媒とブチルセロソルブとの比率（質量部）を示した。

次に、作製したセラミックグリーンシートに導体ペーストを印刷してパターンシートを作製した。表１には、導体ペーストに由来する侵入部を有するパターンシートの位置を示した。表において中段領域とは、容量部の２７０層の誘電体層を積層方向に、上段領域、中段領域および下段領域と３等分したときに、積層方向の中段領域（９０層分）に侵入部を有するパターンシートを適用させたものである。侵入部を有しないパターンシートには試料Ｎｏ．１の試料作製に用いたパターンシートを使用した。

次に、作製したパターンシートを２７０層積層してコア積層体を作製した。次いで、コア積層体の上面側および下面側にセラミックグリーンシートをそれぞれ重ねて母体積層体を作製した。この後、母体積層体を切断してコンデンサ本体の成形体を作製した。

次に、作製したコンデンサ本体の成形体を焼成してコンデンサ本体を作製した。本焼成は、水素−窒素中、昇温速度を９００℃／ｈとし、最高温度を１０８０℃に設定した条件で焼成した。この焼成にはローラーハースキルンを用いた。

次に、作製したコンデンサ本体に対して再酸化処理を行った。再酸化処理の条件は、窒素雰囲気中、最高温度を１０００℃に設定し、保持時間を５時間とした。

得られたコンデンサ本体のサイズは、３．２ｍｍ×１．６ｍｍ×１．６ｍｍ、誘電体層の平均厚みは２．８μｍであった。内部電極層の平均厚みは０．８μｍであった。作製し
たコンデンサの静電容量の設計値は１０μＦに設定した。

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外部電極ペーストを塗布し、８００℃の温度にて焼き付けを行って外部電極を形成した。外部電極ペーストは、Ｃｕ粉末およびガラスを添加したものを用いた。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メッキを形成してコンデンサを得た。

次に、作製したコンデンサについて以下の評価を行った。まず、コンデンサを鏡面研磨して、図１（ｂ）に示すような断面を露出させ、誘電体層中に存在する金属粒子列の状態を観察した。表１に各値を示した。表１に示した各値はコンデンサ本体の断面の積層方向の中央部かつ長手方向（Ｌ寸断面）の中央部の２０μｍ×２０μｍの範囲を３箇所観察して測定した値の平均値である。金属粒子の粒径Ｄは、コンデンサ本体の断面から、長さ５０μｍの長さで金属粒子列を抽出し、その金属粒子列に含まれる各金属粒子の最大径を測定し、平均値を求めた。金属粒子列と誘電体層の表面との距離Ｗ_１および金属粒子１３ａ同士の間隔Ｗ_２ならびにＷ_２／Ｄについても金属粒子の粒径Ｄを測定した金属粒子列１３を用いた。コンデンサ本体の断面の全体について測定する場合には、コンデンサ本体の断面を３等分した各領域から同じ面積（２０μｍ×２０μｍ）の範囲を１箇所づつ抽出し、上記と同様の方法を用いて測定した。

作製したコンデンサのうち、導体ペーストに由来する侵入部がセラミックグリーンシートの表面付近に形成されるように調整したパターンシートを用いて作製した誘電体層にはいずれにも金属粒子列が形成されていた。また、金属粒子列は容量部側とともに非容量部側にも存在するものであった。

次に、誘電特性については、直流電圧を印加しない条件（交流電圧０．５Ｖ、周波数１ｋＨｚ）での静電容量を測定した。試料数は３０個とし、平均値を求めた。

耐電圧は、昇圧速度を５Ｖ／秒（昇圧１）として測定した。試料数は３０個とし、平均値を求めた。

耐熱衝撃試験は、温度を３０５℃（ΔＴ＝２８０℃）に設定した半田槽を用いて、コンデンサを１秒間浸漬する条件で行った。試験後の試料を実体顕微鏡を用いて観察し、クラックの有無を評価した。試料数は１００個とした。クラックの発生した個数割合を表１に示した。

表１から明らかなように、誘電体層中に金属粒子列が存在する試料（試料Ｎｏ．２〜６）は、耐電圧が３６８〜３７５Ｖであるときに、静電容量が１０．２〜１２．３μＦであった。また、これらの試料は耐熱衝撃試験での不良率が１／１００個以下であった。

また、これらの試料の中で、試料Ｎｏ．３〜６は、耐電圧が３６８〜３７０Ｖであるときに、静電容量が１１．８〜１２．３μＦであった。また耐熱衝撃試験での不良が見られなかった。

これに対し、誘電体層中に金属粒子列を有しない試料（試料Ｎｏ．１）は、耐電圧が３８０Ｖであったものの、静電容量が９．８μＦ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・・・・・・・・・・容量部
１１・・・・・・・・・非容量部
１３・・・・・・・・・金属粒子列
１３ａ・・・・・・・・金属粒子
２１・・・・・・・・・セラミックグリーンシート
２３・・・・・・・・・内部電極パターン
２５・・・・・・・・・侵入部

Claims

誘電体層と内部電極層とが交互に複数層積層されたコンデンサ本体を備えているコンデンサであって、前記誘電体層は複数の金属粒子を含んでおり、該複数の金属粒子は前記誘電体層の表面から離れた位置に、前記表面に沿って列を成す金属粒子列を有している、コンデンサ。
前記金属粒子は、粒径が０．２μｍ以上０．４μｍ以下である、請求項１に記載のコンデンサ。
前記金属粒子列は、前記誘電体層の表面との距離Ｗ_１が０．４μｍ以上である、請求項１または２に記載のコンデンサ。
前記金属粒子列は、金属粒子の直径Ｄと隣接している金属粒子同士の間隔Ｗ_２との比（Ｗ_２／Ｄ）が０．５以上２以下である、請求項１乃至３のうちいずれかに記載のコンデンサ。
前記コンデンサ本体１が、前記誘電体層と前記内部電極層とで構成され、静電容量を発現する容量部と、該容量部を取り囲むように配置され、静電容量を発現しない非容量部とを有しており、前記金属粒子列は、前記非容量部を構成する前記誘電体層内にも存在する、請求項１乃至４のうちいずれかに記載のコンデンサ。
前記金属粒子列が前記内部電極層に挟まれている全ての前記誘電体層中に存在する、請求項１乃至５のうちいずれかに記載のコンデンサ。