JP2870317B2 - セラミック磁器素子の製造方法 - Google Patents

セラミック磁器素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子機器や電気機器で
発生するノイズ、パルス、静電気などの異常高電圧、高
周波ノイズからIC,LSIなどの半導体素子および電
子機器や電気機器の回路を保護するのに用いられるセラ
ミック磁器素子の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年電子機器や電気機器は小型化、多機
能化を実現するためにIC,LSIなどの半導体素子が
広く用いられ、それに伴って電子機器や電気機器のノイ
ズ、パルス、静電気などの異常高電圧に対する耐力は低
下している。
【0003】そこでこれら電子機器や電気機器のノイ
ズ、パルス、静電気などの異常高電圧に対する耐力を確
保するためにフィルムコンデンサ、電解コンデンサ、半
導体セラミックコンデンサ、積層セラミックコンデンサ
などが用いられているが、これらは電圧の比較的低いノ
イズや高周波ノイズの吸収、抑制には優れた特性を示す
ものの、高い電圧のパルスや静電気に対しては効果を示
さず、半導体素子の誤動作や破壊を引き起こすことがあ
った。
【0004】また、高い電圧のパルスや静電気を吸収、
抑制するためにはSiC,ZnO系バリスタが用いられ
ているが、これらは電圧の比較的低いノイズや高周波ノ
イズの吸収、抑制には効果を示さずに半導体素子の誤動
作を引き起こすことがあった。
【0005】これら両者の欠点を補完するものとして特
開昭57−27001号公報、特開昭57−35303
号公報に示されているようにSrTiO3系バリスタが
開発され使用されている。一方、電子部品の分野におい
ては、機器の小型化に対応して軽薄短小化、高性能化が
ますます進み、面実装可能なチップ部品の開発が必要不
可欠になってきている。
【0006】これらに対応して特開昭54−53248
号公報、特開昭54−53250号公報などに示された
内容を応用した例や、特開昭59−215701号公
報、特開昭63−219115号公報に示された例があ
るが、これらの方法はプロセス的に複雑であったり、得
られた特性が目的を達成するのに不十分であったりして
未だに実用化の段階に達していない。そこで我々は特願
平1−86243号公報に新しい組成及び新しい製造方
法により実用化可能な方法を示した。
【0007】一方、特公平4−30722号公報にはバ
リスタ素子に電気的パルスを印加することによってセラ
ミック素体と電極の界面に形成されたバリヤを破壊し、
バリスタ電圧のばらつきおよび変動を抑制する方法が開
示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のセラミック磁器素子の製造方法では、SrTiO3
バリスタに関しては前記従来例で示したように様々な材
料組成、製造方法が開発されてきたが、いずれの場合も
プロセス的に複雑であったりして実用化のレベルに達し
ていないという問題点を有し、また得られたセラミック
磁器素子(以下、素子という)の特性は電源ラインに加
わる高い電圧のパルスや静電気を吸収、抑制するのには
ある程度の効果を示すものの、比較的電圧の低いパルス
や信号ラインに加わる高周波ノイズを吸収、抑制するに
は素子の持つインピーダンスが大きいため十分な効果を
示さないといった問題点を有していた。
【0009】本発明は前記従来の問題点を解決するもの
で、容易な方法でセラミック磁器素子のインピーダンス
を低減することが可能なセラミック磁器素子の製造方法
を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、SrTiO3を主成分とする組成物を混
合、仮焼、粉砕、成形する工程と、中性または酸化性雰
囲気中で仮焼する工程と、電極としてAu,Pt,R
h,Pd,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なくとも1
つ以上の金属およびこれらの金属の合金およびこれらの
金属の酸化物またはそれらの混合物を塗布する工程と、
中性または還元性雰囲気中で焼成する工程と、中性また
は酸化性雰囲気中で再び焼成する工程と、得られた素子
の電極間に最大電圧に達するまでの時間が200ナノ秒
以下で初期の電圧にもどるまでの時間が1マイクロ秒以
下の電圧波形で印加電圧の最大値が50kV以下でエネ
ルギーが0.5ジュール以下のパルスを1回または複数
回印加する工程からなる製造方法により素子を製造する
ものである。
【0011】
【作用】上記の製造方法により、一般にSrTiO3
主成分とする組成物からなるセラミック層上に電極層を
形成し中性または還元性雰囲気中で焼成した後中性また
は酸化性雰囲気中でセラミック層と電極層を同時焼成す
ると、電極層の表面が酸化されて抵抗の高い部分が生成
し、電極層の表面および内部にバリヤが形成されて素子
のインピーダンスが高くなり、静電容量が減少するとと
もにtanδが大きくなりノイズの吸収および抑制効果
が損なわれてしまうものであるが、本発明により製造さ
れたセラミック磁器素子に形成されるバリヤは、材料の
持つ仕事関数の大きさの違いによって電極とセラミック
素体の界面に形成されるバリヤ、例えば溶射法、真空蒸
着法、スパッタリング法、無電解メッキ法などによって
非オーミック性の電極を形成した場合のバリヤとは異な
り、オーミック性の電極を用いてもその電極表面および
内部の酸化によって発生するもので、バリヤの高さが比
較的低いため、比較的小さいエネルギー、例えば電気的
エネルギーを加えることによって他の特性、例えばバリ
スタ特性を有する素子の場合、バリスタ電圧を変動させ
たり電圧非直線係数を劣化させたりすることなく除去す
ることができる。
【0012】本発明で示したように印加する電気的エネ
ルギーを最大電圧に達するまでの時間および初期の電圧
にもどるまでの時間が短い急峻波パルスにすることによ
り、電極層の界面に形成されたバリヤの最も弱い部分に
エネルギーが集中しバリヤの一部分を突き破りバリヤの
抵抗を下げることができる。また、印加する電気的エネ
ルギーは大きすぎるとセラミック層の粒子界面に形成さ
れたバリヤにダメージを与え、素子の持つ機能特にコン
デンサ機能を劣化させてしまう。従って、比較的エネル
ギーの小さい急峻波パルスを印加することにより素子の
持つコンデンサ特性を劣化させることなく、またバリス
タ特性に影響を与えることなく電極層の界面に形成され
たバリヤだけを除去し、素子が本来持っているインピー
ダンスを引き出すことができる。
【0013】これによりインピーダンスが小さくなるの
に伴いノイズ減衰率を高くすることができ、信号ライン
に侵入してくる高周波ノイズを吸収、抑制することがで
きる。さらに、セラミック層の主成分をSrTiO3
たは前記SrTiO3のSrの一部をCa,Mg,Ba
のうちの少なくとも一つ以上の元素で置換したものを用
いることにより、コンデンサとバリスタの両方の特性を
持たせることができ、これにより静電気パルスなどの立
ち上がりが急峻な異常高電圧が印加されても素子が破壊
することがなくなる。
【0014】
【実施例】
(実施例1)以下に実施例を挙げて具体的に説明する。
【0015】まず、第1成分としてSrCO3、CaC
3、TiO2を(Sr0.98Ca0.020.995TiO3の組
成比になるようにして99.2モル%、第2成分として
Nb 25を0.3モル%、第3成分としてMnCO3
0.2モル%、Cr23を0.1モル%、第4成分とし
てSiO2を0.2モル%秤量し、ボールミルなどによ
り20Hr混合、粉砕し、乾燥した後空気中で800℃
で2Hr仮焼し、再びボールミルなどにより20Hr粉
砕し平均粒径が2.0μm以下になるようにする。こう
して得られた粉末に有機バインダー、例えばポリビニル
アルコールなどを10wt%添加して造粒し、10mmφ
×1mmtの形状に成形する。
【0016】その後、1000℃で1h仮焼し、Pdな
どからなる電極ペーストをスクリーン印刷などの方法に
より塗布し、120℃で乾燥し、例えばN2:H2=9:
1の還元性雰囲気中で1410℃で5Hr焼成した後、
空気中で1080℃で2Hr再酸化することによりセラ
ミック素体1と電極2を同時に形成する。得られた焼成
体にリード線4を半田などの導電性接着剤3により取り
付け、エポキシ樹脂などの樹脂5で外装塗装する。こう
して得られた素子に(表1)で示した急峻波パルスを印
加し、印加前後での特性変化を(表1)に示す。
【0017】
【表1】
【0018】また、図1は本実施例の製造工程図、図2
は素子の断面図である。図2において1はセラミック素
体、2は電極、3は導電性接着剤、4はリード線、5は
外装塗装である。
【0019】(実施例2)まず、第1成分としてSrC
3、CaCO3、TiO2を(Sr0.85Ca0.150.985
TiO3の組成比になるようにして99.2モル%、第
2成分としてNb 25を0.3モル%、第3成分として
MnCO3を0.2モル%、Cr23を0.1モル%、
第4成分としてSiO2を0.2モル%秤量し、ボール
ミルなどにより20Hr混合、粉砕し、乾燥した後空気
中で800℃で4Hr仮焼し、再びボールミルなどによ
り80Hr混合、粉砕し平均粒径が1.0μm以下にな
るようにする。こうして得られた粉末にブチラール系樹
脂などの有機バインダーと有機溶剤を混合してスラリー
状とし、ドクター・ブレード法などのシート成形法によ
り厚さ50μm程度のグリーンシート6を得る。
【0020】次に、前記グリーンシート6を所定の枚数
積層して最下層の無効層を形成し、その上にPdなどか
らなる内部電極7をスクリーン印刷などにより印刷、乾
燥し、さらにその上に前記グリーンシート6を所定枚数
積層した後、再びPdなどからなる内部電極7をスクリ
ーン印刷などにより印刷、乾燥する。その際、内部電極
7は対向して相異なる端縁に至るように印刷する。この
ようにしてグリーンシート6と内部電極7を所定枚数積
層し、最後に前記グリーンシート6を所定枚数積層して
最上層の無効層を形成し、加熱しながら加圧、圧着し、
所定の形状に切断する。
【0021】次に空気中で800℃で40Hr脱脂仮焼
し、例えばN2:H2=9:1の還元性雰囲気中で131
0℃で5Hr焼成した後、空気中で980℃で2Hr再
酸化する。その後、内部電極を異なる端縁に露出させた
両端面にAgなどからなる電極ペーストを塗布し、空気
中で700℃で10分焼成し外部電極8を形成する。こ
うして得られた素子に(表2)で示した急峻波パルスを
印加し、印加前後での特性変化を(表2)に示す。
【0022】
【表2】
【0023】次に前記外部電極上に、例えば電解法でN
iメッキさらに半田メッキを施す。また図3は本実施例
の積層構成を示す断面図である。図3において6はグリ
ーンシート、7は内部電極、8は外部電極である。
【0024】(実施例3)実施例2と同様にしてグリー
ンシート6を得る。次に前記グリーンシート6を所定の
枚数積層して最下層の無効層を形成し、その上にNiO
などからなる内部電極7をスクリーン印刷などにより印
刷、乾燥し、さらにその上に前記グリーンシート6を所
定枚数積層した後、再びNiOなどからなる内部電極7
をスクリーン印刷などにより印刷、乾燥する。その際、
内部電極7は対向して相異なる端縁に至るように印刷す
る。このようにしてグリーンシート6と内部電極7を所
定枚数積層し、最後に前記グリーンシート6を所定枚数
積層して最上層の無効層を形成し、加熱しながら加圧、
圧着し、所定の形状に切断する。
【0025】次に空気中で900℃で20Hr脱脂仮焼
し、その後、内部電極を異なる端縁に露出させた両端面
にNiOなどからなる電極ペーストを塗布し、例えばN
2:H2=9:1の還元性雰囲気中で1210℃で10H
r焼成し、セラミック素体の還元とNiOなどからなる
外部電極9の還元を同時に行う。
【0026】その後前記外部電極9の表面にAgなどか
らなる電極ペーストを塗布し、空気中で900℃で3H
r再酸化し、外部電極10を形成する。次に前記外部電
極10上に、例えば電解法などでNiメッキさらに半田
メッキを施す。こうして得られた素子に(表3)で示し
た急峻波パルスを印加し、印加前後での特性変化を(表
3)に示す。
【0027】
【表3】
【0028】また図4は本実施例の積層構成を示す断面
図である。図4において6はグリーンシート、7は内部
電極、9および10は外部電極である。本実施例ではセ
ラミック粉体の組成については主成分の基本組成がAB
3で示されるSrTiO3のSrの一部をBa,Ca,
Mgのうち少なくとも1つ以上の元素で置換したものの
一部の組合せについてのみ示したが、SrTiO3を主
成分としコンデンサとバリスタの両方の機能を有するも
のであればどのような組成であってもかまわない。ま
た、A/B比が0.95≦(A/B)≦1.05と規定
したのは0.95より小さくなるとTiを主成分とする
第2相が形成され、バリスタ特性が劣化するためであ
り、また1.05を越えると誘電率が小さくなりコンデ
ンサ特性が劣化するためである。また、無効層および有
効層は薄いグリーンシートを積層して形成したが、厚い
グリーンシート1枚で形成してもかまわない。
【0029】また、急峻波パルスは外部電極を形成した
後印加してもよいし、外部電極上に例えばメッキ処理や
セラミック素体上にコーティング処理した後印加しても
同様の結果が得られる。また、(表1)、(表2)、
(表3)より明らかなようにパルス印加により静電容
量、tanδ、ESRといったコンデンサ特性の変化は
大きいが、バリスタ特性は絶対値、標準偏差共にほとん
ど変化しない。さらに、印加する急峻波パルスの波形を
最大電圧に達するまでの時間を200ナノ秒以下と規定
したのは、パルス電圧の立ち上がり峻度(以下、波頭峻
度と言う)が早い程、電極表面および内部の酸化層を破
壊するのに有効なためであり、波頭峻度が200ナノ秒
を越えるとその効果が著しく低下するためである。また
初期の電圧にもどるまでの時間(以下、波尾と言う)を
1マイクロ秒以下と規定したのは、波尾が長くなるほど
素子の特性、特にコンデンサ特性に影響を受け易く、波
尾が1マイクロ秒を越えると静電容量の低下が著しくな
るためである。
【0030】また印加電圧の最大値を50kV以下と規
定したのは、印加電圧が高くなるほどセラミック素体の
粒子界面に形成されたバリヤの劣化が大きくなり、印加
電圧が50kVを越えるとコンデンサ特性、バリスタ特
性共に劣化するためである。さらに印加するパルスのエ
ネルギーを0.5ジュール以下と規定したのは、0.5
ジュールを越えると素子の発熱が著しくなりコンデンサ
特性、バリスタ特性共に劣化するためである。
【0031】また電気的特性については、前記積層セラ
ミック磁器素子に0.1mAの電流が流れた時に素子の
両端に加わる電圧をV0.1mAで示し、静電容量およびt
anδは1kHzで測定した値を示した。またαはV1mA
とV0.1mAとの割合(exp(V1mA/V0.1mA))で表
わした。なお、本実施例で示した積層セラミック磁器素
子の形状はW3.20mm×D1.60mm×T1.00mm
の寸法で形成されたもので、一般に1×3タイプと呼ば
れるものである。
【0032】
【発明の効果】以上に示したように本発明によれば、セ
ラミック磁器素子に最大電圧に達するまでの時間および
初期の電圧にもどるまでの時間が短い急峻波パルスを印
加することにより、電極表面および内部に形成された酸
化層によって生ずるバリヤの最も弱い部分にエネルギー
が集中しバリヤの一部分を突き破りバリヤの抵抗を下げ
ることができる。そのため素子の持つコンデンサ特性を
劣化させることなく、またバリスタ特性には影響を与え
ることなく電極層の界面に形成されたバリヤだけを除去
し、素子が本来持っているインピーダンスを引き出すこ
とができる。
【0033】またインピーダンスが小さくなるのに伴い
ノイズ減衰率を高くすることができ、信号ラインに侵入
してくる高周波ノイズを有効に吸収、抑制することがで
きる。さらに、セラミック層の主成分をSrTiO3
たは前記SrTiO3のSrの一部をCa,Mg,Ba
のうちの少なくとも一つ以上の元素で置換したものを用
いることにより、コンデンサとバリスタの両方の特性を
持たせることができ、これにより静電気パルスなどの立
ち上がりが急峻な異常高電圧が印加されても素子が破壊
することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における製造工程図
【図2】本発明の第1の実施例におけるセラミック磁器
素子の断面図
【図3】本発明の第2の実施例における積層構成を示す
断面図
【図4】本発明の第3の実施例における積層構成を示す
断面図
【符号の説明】
1 セラミック素体 2 電極 3 導電性接着剤 4 リード線 5 外装塗装 6 グリーンシート 7 内部電極 8 外部電極 9,10 外部電極
フロントページの続き (72)発明者 生越 洋一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01G 4/12 H01C 7/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】SrTiO3を主成分とする組成物を混
    合、仮焼、粉砕、成形する工程と、中性または酸化性雰
    囲気中で仮焼する工程と、電極としてAu,Pt,R
    h,Pd,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なくとも1
    つ以上の金属およびこれらの金属の合金およびこれらの
    金属の酸化物またはそれらの混合物を塗布する工程と、
    中性または還元性雰囲気中で焼成する工程と、中性また
    は酸化性雰囲気中で再び焼成する工程と、得られたセラ
    ミック磁器素子の電極間に最大電圧に達するまでの時間
    が200ナノ秒以下で初期の電圧にもどるまでの時間が
    1マイクロ秒以下の電圧波形で印加電圧の最大値が50
    kV以下でエネルギーが0.5ジュール以下のパルスを
    1回または複数回印加する工程からなるセラミック磁器
    素子の製造方法。
  2. 【請求項2】SrTiO3を主成分とする組成物を混
    合、仮焼、粉砕する工程と、得られた無機粉末を有機バ
    インダーおよび溶剤と混合しシート成形する工程と、得
    られたシートに内部電極としてAu,Pt,Rh,P
    d,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なくとも1つ以上
    の金属およびこれらの金属の合金およびこれらの金属の
    酸化物またはそれらの混合物を塗布する工程と、内部電
    極を塗布したシートと内部電極を塗布していないシート
    を積層、加圧圧着、切断する工程と、中性または酸化性
    雰囲気中で仮焼する工程と、外部電極としてAu,P
    t,Rh,Pd,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なく
    とも1つ以上の金属およびこれらの金属の合金およびこ
    れらの金属の酸化物またはそれらの混合物を塗布する工
    程と、中性または還元性雰囲気中で焼成する工程と、中
    性または酸化性雰囲気中で再び焼成する工程と、得られ
    たセラミック磁器素子の電極間に最大電圧に達するまで
    の時間が200ナノ秒以下で初期の電圧にもどるまでの
    時間が1マイクロ秒以下の電圧波形で印加電圧の最大値
    が50kV以下でエネルギーが0.5ジュール以下のパ
    ルスを1回または複数回印加する工程からなるセラミッ
    ク磁器素子の製造方法。
  3. 【請求項3】SrTiO3を主成分とする組成物を混
    合、仮焼、粉砕する工程と、得られた無機粉末を有機バ
    インダーおよび溶剤と混合しシート成形する工程と、得
    られたシートに内部電極としてAu,Pt,Rh,P
    d,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なくとも1つ以上
    の金属およびこれらの金属の合金およびこれらの金属の
    酸化物またはそれらの混合物を塗布する工程と、内部電
    極を塗布したシートと内部電極を塗布していないシート
    を積層、加圧圧着、切断する工程と、中性または酸化性
    雰囲気中で仮焼する工程と、外部電極としてAu,P
    t,Rh,Pd,Ni,Cr,Zn,Cuのうち少なく
    とも1つ以上の金属およびこれらの金属の合金およびこ
    れらの金属の酸化物またはそれらの混合物を塗布する工
    程と、中性または還元性雰囲気中で焼成する工程と、再
    び外部電極としてAu,Pt,Rh,Pd,Ni,C
    r,Zn,Cuのうち少なくとも1つ以上の金属および
    これらの金属の合金およびこれらの金属の酸化物または
    それらの混合物を塗布する工程と、中性または酸化性雰
    囲気中で焼成する工程と、得られたセラミック磁器素子
    の電極間に最大電圧に達するまでの時間が200ナノ秒
    以下で初期の電圧にもどるまでの時間が1マイクロ秒以
    下の電圧波形で印加電圧の最大値が50kV以下でエネ
    ルギーが0.5ジュール以下のパルスを1回または複数
    回印加する工程からなるセラミック磁器素子の製造方
    法。
  4. 【請求項4】基本組成がABO3で示されるSrTiO3
    のSrの一部をBa,Ca,Mgのうち少なくとも1つ
    以上の元素で置換したもの、およびA/B比が0.95
    ≦(A/B)≦1.05のもののうち少なくとも1つ以
    上を主成分とする請求項1、請求項2、または請求項3
    記載のセラミック磁器素子の製造方法。
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