JP2022075550A - 積層型キャパシター - Google Patents
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Abstract
【課題】積層型キャパシターを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態は、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで第1方向に積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極とを含み、上記本体は、上記複数の内部電極が位置して静電容量を形成するアクティブ部、上記アクティブ部の第2方向に対向する第1面及び第2面のうち少なくとも一つの面をカバーするサイドマージン部、及び上記第1方向に上記アクティブ部をカバーするカバー部を含み、上記複数の誘電体層はチタン酸バリウム系組成物を含み、上記サイドマージン部の誘電体層は、Sn成分を含み、上記アクティブ部の誘電体層とはSn含量が互いに異なり、上記サイドマージン部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む積層型キャパシターを提供する。【選択図】図3
Description
本発明は、積層型キャパシターに関する。
キャパシターは、電気を貯蔵することができる素子であって、一般的に2つの電極を対向させて電圧をかけると各電極に電気が蓄積されるものである。直流電圧を印加した場合には、電気が蓄電されながらキャパシター内部に電流が流れるが、蓄積が完了すると、電流が流れなくなる。一方、交流電圧を印加した場合、電極の極性が交番しながら交流電流が流れるようになる。
かかるキャパシターは、電極の間に備えられる絶縁体の種類によって、アルミニウムで電極を構成し、上記アルミニウム電極の間に薄い酸化膜を備えるアルミニウム電解キャパシター、電極材料としてタンタルを用いるタンタルキャパシター、電極の間にチタン酸バリウムなどの高誘電率の誘電体を用いるセラミックキャパシター、電極の間に備えられる誘電体として高誘電率系セラミックを多層構造で用いる積層セラミックキャパシター(Multi-Layer Ceramic Capacitor、MLCC)、電極の間の誘電体としてポリスチレンフィルムを用いるフィルムキャパシターなど、様々な種類に区分され得る。
中でも、積層セラミックキャパシターは、温度特性及び周波数特性に優れており、小型で実現可能であるという長所を有することから、近年、高周波回路などの様々な分野で多く応用されている。近年、積層セラミックキャパシターをさらに小さく実現するために、誘電体層と内部電極を薄く形成する試みが続けられている。
積層型キャパシターを小型化しながら容量を増加させるための方法として、内部電極が本体の幅方向に露出するようにすることで、マージンのない設計により内部電極の幅方向の面積を極大化し、かかるチップの製作後に焼成前段階でチップの幅方向の電極露出面にサイドマージン部を別途付着して完成する工程が適用されている。しかし、上記方法の場合、サイドマージン部の厚さと面積が小さくなり、これにより外部衝撃による割れ及びクラックの危険性が高まっている。従って、超小型及び高容量製品でサイドマージン部の耐衝撃性及び耐クラック性を向上させることができる誘電体材料の適用が必要な実情である。
本発明の一目的は、高い信頼性を有する誘電体材料を使用することで、電気的、機械的特性が向上した積層型キャパシターを提供することにある。
上述の課題を解決するための方法であって、本発明は、一例によって積層型キャパシターの新たな構造を提案する。具体的に、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで第1方向に積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極と、を含み、上記本体は、上記複数の内部電極が位置して静電容量を形成するアクティブ部、上記アクティブ部の第2方向に対向する第1面及び第2面のうち少なくとも一つの面をカバーするサイドマージン部、及び上記第1方向に上記アクティブ部をカバーするカバー部を含み、上記複数の誘電体層はチタン酸バリウム系組成物を含み、上記サイドマージン部の誘電体層は、Sn成分を含み、上記アクティブ部の誘電体層とはSn含量が互いに異なり、上記サイドマージン部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む。
一実施形態において、上記コア-シェル構造における上記シェル部は、Snの含量が上記コアより多いことができる。
一実施形態において、上記コア-シェル構造における上記シェル部は、Tiの一部がSnに置換されることができる。
一実施形態において、上記サイドマージン部の誘電体層に含まれたSnの含量は、上記アクティブ部の誘電体層に含まれたSnの含量より多いことができる。
一実施形態において、上記シェル部は、上記コアの表面の30%以上をカバーすることができる。
一実施形態において、上記サイドマージン部の誘電体層における上記シェル部が上記コア表面の30%以上をカバーするグレインは、全体グレインに対して10%以上であることができる。
一実施形態において、上記サイドマージン部の誘電体層は、チタン酸バリウム100モルに対してSnを0.1から10モル含有することができる。
一実施形態において、上記サイドマージン部の誘電体層は、上記アクティブ部の誘電体層より平均グレインサイズが小さいことができる。
一実施形態において、上記カバー部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含み、上記コア-シェル構造における上記シェル部は、Snの含量が上記コアより多いことができる。
本発明の他の側面は、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで第1方向に積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極と、を含み、上記本体は、上記複数の内部電極が位置して静電容量を形成するアクティブ部、上記アクティブ部の第2方向に対向する第1面及び第2面をカバーするサイドマージン部、及び上記第1方向に上記アクティブ部をカバーするカバー部を含み、上記複数の誘電体層はチタン酸バリウム系組成物を含み、上記カバー部の誘電体層は、Sn成分を含み、上記アクティブ部の誘電体層とはSn含量が互いに異なり、上記カバー部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む積層型キャパシターを提供する。
本発明の一例による積層型キャパシターの場合、電気的、機械的特性が向上することができる。
以下、具体的な実施形態及び添付された図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、通常の技術者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示(又は強調表示や簡略化表示)がされることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素である。
尚、図面において本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、複数の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示しており、同一の思想の範囲内の機能が同一の構成要素は、同一の参照符号を用いて説明する。さらに、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」というのは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図1は本発明の一実施形態による積層型キャパシターの外観を概略的に示す斜視図である。図2は図1の積層型キャパシターにおいて、I-I'断面図である。図3は図1の積層型キャパシターにおいて、II-II'断面図であるそして、図4は誘電体層のグレインを拡大して示す模式図であり、図5は図3における本体領域を細分化して示すものである。
図1から図3を参照すると、本発明の一実施形態による積層型キャパシター100は、誘電体層111及びこれを挟んで第1方向(X方向)に積層された複数の内部電極121、122を含む本体110と、外部電極131、132とを含み、本体110は、アクティブ部112、サイドマージン部113、カバー部114を含む。ここで、サイドマージン部113の誘電体層111は、Sn成分を含み、アクティブ部112の誘電体層112とはSn含量が互いに異なる。また、サイドマージン部113の誘電体層111は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む。
本体110は、複数の誘電体層111が第1方向(X方向)に積層された積層構造を含み、例えば複数のグリーンシートを積層した後、焼結して得られることができる。かかる焼結工程により複数の誘電体層111は一体化した形態を有することができる。図1に示す形態のように、本体110は、直方体と類似した形状を有することができる。本体110に含まれた誘電体層111は高誘電率を有するセラミック材料を含むことができ、チタン酸バリウム(BaTiO3)系組成物を含む。具体的に、誘電体層111はBa及びTiを含む母材主成分を含むことができ、ここで、上記母材主成分は、BaTiO3またはCa、Zr、Snなどが一部固溶された(Ba,Ca)(Ti,Ca)O3、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O3、Ba(Ti,Zr)O3、(Ba,Ca)(Ti,Sn)O3で表現される主成分を含むことができる。また、誘電体層111には、主成分であるかかるセラミック材料と共に、必要な場合、添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤及び分散剤などがさらに含まれることができる。ここで、添加剤の場合、金属成分を含み、これらは製造過程で金属酸化物の形態で添加されることができる。かかる金属酸化物添加剤の例として、MnO2、Dy2O3、BaO、MgO、Al2O3、SiO2、Cr2O3及びCaCO3のうち少なくともいずれか一つの物質を含むことができる。
複数の内部電極121、122は、セラミックグリーンシートの一面に所定の厚さで導電性金属を含むペーストを印刷した後、これを焼結して得られることができる。この場合、複数の内部電極121、122は、図2に示す形態のように、本体110の互いに対向する第3方向(Z方向)に露出した第1及び第2内部電極121、122を含むことができる。ここで、第3方向(Z方向)は、本体110のアクティブ部112の第1面S1及び第2面S2が互いに対向する方向を第2方向(Y方向)とする時、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)に垂直な方向であることができる。第1及び第2内部電極121、122は、互いに異なる外部電極131、132と連結されて駆動時に互いに異なる極性を有することができ、これらの間に配置された誘電体層111により互いに電気的に分離することができる。但し、外部電極131、132の個数や内部電極121、122との連結方式は、実施形態によって変わることができる。内部電極121、122をなす主要構成物質は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)などが例として挙げられ、これらの合金も使用することができる。
外部電極131、132は本体110の外部に形成され、第1及び第2内部電極121、122とそれぞれ接続された第1及び第2外部電極131、132を含むことができる。外部電極131、132は、導電性金属を含む物質をペーストで製造した後、これを本体110に塗布する方法などで形成されることができ、導電性金属の例として、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、金(Au)、またはこれらの合金を有することができる。ここで外部電極131、132は、さらにNi、Snなどを含むメッキ層を含むことができる。
図3を参照すると、アクティブ部112は、複数の内部電極121、122が位置して静電容量を形成する。サイドマージン部113は、アクティブ部112の第2方向(Y方向)に対向する第1面S1及び第2面S2のうち少なくとも一つの面をカバーし、本実施形態では第1面S1及び第2面S2を全てカバーする形態を示した。この場合、第2方向(Y方向)は第1方向(X方向)と垂直であることができる。カバー部114は、第1方向(X方向)にアクティブ部112をカバーし、本実施形態ではカバー部114が第1方向(X方向)にアクティブ部112の上部と下部の全てに配置されている。
本実施形態の場合、積層型キャパシター100の信頼性に大きな影響を及ぼすサイドマージン部113において、誘電体層111の成分とグレインサイズなどを調節して耐湿特性、靭性(toughness)などが向上するようにした。以下の説明は、サイドマージン部113を基準としたが、信頼性に優れた誘電体層111はカバー部114に適用されることができ、特性の向上を極大化するために、サイドマージン部113とカバー部114に同時に適用されることもできる。
本実施形態の場合、アクティブ部112とサイドマージン部113の誘電体層111は、Sn成分を含み、Sn含量は互いに異なる。本発明者らの研究によると、チタン酸バリウム組成物を含む誘電体層111において、Snの含量によって粒成長特性、靭性などが変わり、本体110を構成する領域別にSnの含量を異ならせることで、電気的、機械的特性などが向上した結果を示した。一例として、サイドマージン部112の誘電体層111に含まれたSnの含量は、アクティブ部113の誘電体層111に含まれたSnの含量より多くてよく、これから本体110の耐湿信頼性、靭性などが向上することができる。
サイドマージン部113の誘電体層111は、耐湿信頼性を向上させ、耐衝撃性及び耐クラック性を有するようにするためにSn成分を含み、Snの含量はアクティブ部112の誘電体層111より多いように調節される。この場合、アクティブ部112の誘電体層111は、Snを含まないか、含んでも極少量だけを含むことができる。サイドマージン部113が含むSnの含量がアクティブ部112の誘電体層111が含むSnの含量より多い場合、サイドマージン部113の誘電体層111は、グレインの粒成長が相対的に大きくなく、これに含まれたグレインの平均サイズがアクティブ部112の誘電体層111に含まれたグレインの平均サイズより小さく調節することができ、これからサイドマージン部113は、アクティブ部112より高い耐湿特性と靭性を有することができる。従って、積層型キャパシター100を基板などに実装する時に本体110、特に、サイドマージン部113のクラックを改善することができる。
サイドマージン部113で十分な水準の向上した特性が発現されるために、Snの含量は調節されることができ、この場合、サイドマージン部113の誘電体層111は、Snをチタン酸バリウム100モルに対して0.1から10モル含有することができる。Sn含量が0.1モル未満の場合、Snの添加による実質的な効果が表れにくく、Sn含量が10モルを超える場合は、Sn間のネットワーク形成により耐衝撃性の劣化が問題になるおそれがある。
本実施形態の場合、サイドマージン部113の誘電体層111は、図4に示すコア-シェル形態のようにシェル構造を有するグレイン11を含む。この場合、上記コア-シェル構造におけるシェル部11bは、Snの含量がコア11aより多いことができ、また、シェル部11bは、Tiの一部がSnに置換された形態であることができる。シェル部11bは、コア11aの表面の30%以上をカバーすることができる。そして、サイドマージン部113の誘電体層111においてシェル部11bがコア11aの表面の30%以上をカバーするグレイン12は、全体グレイン11、12に対して10%以上であることができる。また、シェル部11bの厚さは特に制限されないが、例えば2から50nmであることができる。
Snは、Tiと酸化数は同一であるがイオン半径が異なる元素であり、シェル部11bにおいてTiの一部をSnが置換する場合、一般的にキュービック(Cubic)相を有する構造を格子構造に変形して、双極子モーメントがある相に切り替えることで、自体誘電率を高めて高誘電率を確保することができる。そして、シェル部11bにおいてTiの一部がSnに置換される場合、Tiに対するBaの割合(Ba/Ti)を高めることができ、誘電体グレインの粒成長を抑制することができる。この場合、Tiに対するBaの割合(Ba/Ti)は、1.0150以上であることができる。Tiに対するBaの割合(Ba/Ti)が1.0150以上として高いモル比を有する場合、誘電体グレインは、焼結時に粒成長が抑制されて緻密化されることができ、これから電気的特性(耐電圧特性)、耐湿信頼性などが向上することができる。
上述したように、Sn含量が相対的により多いサイドマージン部113の誘電体層111に含まれたグレイン(図7でG2)は、平均グレインサイズがアクティブ部112の誘電体層111に含まれたグレイン(図6でG1)の平均グレインサイズより小さくてよい。例えば、サイドマージン部112の誘電体層111は、平均グレインサイズが100~700nmであることができる。また、アクティブ部113の誘電体層111は、MLCC分野で通常使用される組成を用いることができ、この場合、平均グレインサイズが300~900nmであることができる。この場合、サイドマージン部113の誘電体層111に含まれるSnの含量が増加するにつれて、サイドマージン部113の外側境界面からアクティブ部112に隣接した内部領域にいくほどグレインサイズが減少し得る。即ち、サイドマージン部113内におけるSnは誘電体グレインの粒径を減少させ、アクティブ部112に隣接した内側は誘電体グレインの粒径がさらに減少するため、サイドマージン部113が高い靭性を有するようにすることができる。
誘電体層111に含まれたグレインの平均サイズは、それぞれ当該領域で抽出された誘電体グレインの円相当直径を計算する方法、長軸と短縮長さを測定してその平均サイズを計算する方法などで求めることができる。図5と併せて図6及び図7を参照すると、グレインサイズの測定方法の一例として、誘電体層111の平均グレインサイズは、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に切断した切断面を基準として測定されることができ、この場合、第3方向(Z方向)には本体110の長さ方向の中間で切断した面を用いることができる。
本体110の第1方向(X方向)長さをTとし、アクティブ部112の第2方向(Y方向)長さをWAとする時、アクティブ部112の誘電体層111における平均グレインサイズは、図5の切断面で第1直四角形R1内に存在するグレインG1のサイズから測定されることができる。第1直四角形R1はアクティブ部112の中心領域CAを含み、横の長さがWA/3、縦の長さがT/3である。そして、アクティブ部112において、第1方向及び第2方向の中心ラインL1、L2を基準として対称である。サイドマージン部113の誘電体層111における平均グレインサイズは、中心領域CMを含む第2直四角形R2に存在するグレインG2のサイズから測定されることができる。第2直四角形R2は、サイドマージン部113の第2方向(Y方向)長さをWMとする時、横の長さがWM/3、縦の長さがT/3であり、サイドマージン部113において、第1方向中心ラインL3及び第2方向の中心ラインL2を基準として対称である。これと類似した方式により、カバー部114の誘電体層111における平均グレインサイズは、中心領域CCを含む第3直四角形R3内に存在するグレインのサイズを測定して求めることができるが、ここでグレインは図7と同様の形態であることができる。第3直四角形R3は、横の長さがWA/3、縦の長さがt/2(ここで、tはカバー部114の厚さ)であり、カバー部114において、第1方向及び第2方向の中心ラインを基準として対称である。
上述したように、グレインG1、G2のサイズを測定する場合、グレインG1、G2の面積を測定し、これを円相当直径に換算する方法、長軸と短縮長さを測定して平均を出す方法などを用いることができる。また、測定の正確性を高めるために、上記基準直四角形R1、R2、R3に全体領域がグレインバウンダリーで取り囲まれたグレインG1、G2のみを選択することができる。
また、上述したように、サイドマージン部113の誘電体層111に関する説明は、カバー部114にもそのまま適用されることができ、サイドマージン部113ではなくカバー部114のみに、上述した誘電体層111のSn含量特性、コア-シェル構造が適用されることもできる。そして、サイドマージン部113とカバー部114の両方に上述した誘電体層111のSn含量特性、コア-シェル構造が適用されることもできる。
本発明は、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって限定される。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明なことであり、これも添付の特許請求の範囲に記載された技術的思想に属するといえる。
100:積層型キャパシター
110:本体
111:誘電体層
112:アクティブ部
113:サイドマージン部
114:カバー部
121、122:内部電極
131、132:外部電極
11、12:グレイン
11a:コア
11b:シェル部
110:本体
111:誘電体層
112:アクティブ部
113:サイドマージン部
114:カバー部
121、122:内部電極
131、132:外部電極
11、12:グレイン
11a:コア
11b:シェル部
Claims (17)
- 複数の誘電体層、及び前記複数の誘電体層を挟んで第1方向に積層された複数の内部電極を含む本体と、
前記本体の外部に形成され、前記複数の内部電極と接続された外部電極と、を含み、
前記本体は、前記複数の内部電極が位置して静電容量を形成するアクティブ部、前記アクティブ部の第2方向に対向する第1面及び第2面のうち少なくとも一つの面をカバーするサイドマージン部、及び前記第1方向に前記アクティブ部をカバーするカバー部を含み、
前記複数の誘電体層はチタン酸バリウム系組成物を含み、
前記サイドマージン部の誘電体層は、Sn成分を含み、前記アクティブ部の誘電体層とはSn含量が互いに異なり、
前記サイドマージン部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む、積層型キャパシター。 - 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、Snの含量が前記コアより多い、請求項1に記載の積層型キャパシター。
- 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、Tiの一部がSnに置換された、請求項1又は2に記載の積層型キャパシター。
- 前記サイドマージン部の誘電体層に含まれたSnの含量は、前記アクティブ部の誘電体層に含まれたSnの含量より多い、請求項1から3のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、前記コアの表面の30%以上をカバーする、請求項1から4のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記サイドマージン部の誘電体層における前記コア-シェル構造におけるシェル部がコア表面の30%以上をカバーするグレインは、全体グレインに対して10%以上である、請求項1から5のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記サイドマージン部の誘電体層は、チタン酸バリウム100モルに対してSnを0.1から10モル含有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記サイドマージン部の誘電体層は、前記アクティブ部の誘電体層より平均グレインサイズが小さい、請求項1から7のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記カバー部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含み、前記コア-シェル構造におけるシェル部は、Snの含量が前記コアより多い、請求項1から8のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 複数の誘電体層、及び前記複数の誘電体層を挟んで第1方向に積層された複数の内部電極を含む本体と、
前記本体の外部に形成され、前記複数の内部電極と接続された外部電極と、を含み、
前記本体は、前記複数の内部電極が位置して静電容量を形成するアクティブ部、前記アクティブ部の第2方向に対向する第1面及び第2面をカバーするサイドマージン部、及び前記第1方向に前記アクティブ部をカバーするカバー部を含み、
前記複数の誘電体層はチタン酸バリウム系組成物を含み、
前記カバー部の誘電体層は、Sn成分を含み、前記アクティブ部の誘電体層とはSn含量が互いに異なり、
前記カバー部の誘電体層は、コア-シェル構造を有するグレインを少なくとも一部含む、積層型キャパシター。 - 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、Snの含量が前記コアより多い、請求項10に記載の積層型キャパシター。
- 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、Tiの一部がSnに置換された、請求項10又は11に記載の積層型キャパシター。
- 前記カバー部の誘電体層に含まれたSnの含量は、前記アクティブ部の誘電体層に含まれたSnの含量より多い、請求項10から12のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記コア-シェル構造におけるシェル部は、前記コアの表面30%以上をカバーする、請求項10から13のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記カバー部の誘電体層における前記コア-シェル構造におけるシェル部が前記コアの表面の30%以上をカバーするグレインは、全体グレインに対して10%以上である、請求項10から14のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記カバー部の誘電体層は、チタン酸バリウム100モルに対してSnを0.1から10モル含有する、請求項10から15のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
- 前記カバー部の誘電体層は、前記アクティブ部の誘電体層より平均グレインサイズが小さい、請求項10から16のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
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