JP2919360B2 - 誘電体磁器組成物 - Google Patents

誘電体磁器組成物

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JP2919360B2 JP8155705A JP15570596A JP2919360B2 JP 2919360 B2 JP2919360 B2 JP 2919360B2 JP 8155705 A JP8155705 A JP 8155705A JP 15570596 A JP15570596 A JP 15570596A JP 2919360 B2 JP2919360 B2 JP 2919360B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は誘電体磁器組成物、
特に1100以下の低温での焼成により、比誘電率が高
く、その温度特性に優れ、積層セラミックコンデンサ用
として好適な誘電体を形成し得る誘電体磁器組成物に関
する。
【0002】
【従来の技術】積層セラミックコンデンサに用いられる
誘電体磁器組成物には従来からチタン酸バリウムを主成
分としたもの(以下チタン酸バリウム系化合物という)
が広く使用されている。特に、チタン酸バリウム系化合
物はEIA規格のY5V特性(−30℃〜+85℃:Δ
C/C(20℃):+22%〜−82%)、およびX7
R特性(−55℃〜125℃:ΔC/C(20℃):±
15%)の積層セラミックコンデンサ用の誘電体磁器組
成物として広く使用されている。
【0003】しかし、チタン酸バリウム系化合物は焼成
温度が1300℃以上と高く、安価な銀パラジウムは低
融点のため、また、安価なニッケル等の卑金属は融点が
高いが、空気中で焼成すると酸化物を形成してしまうた
め、いずれも使用できない。そのため、内部電極に高価
な白金、パラジウム等を使用する必要がありコスト高に
なっていた。また、チタン酸バリウム系化合物では温度
特性がY5V特性とX7R特性の中間(例えば、Y5U
特性、Y5T特性など)のものはあまり報告されていな
い。
【0004】一方、上記のチタン酸バリウム系化合物を
積層セラミックコンデンサの誘電体として用いる場合の
問題点を解決するために、鉛系ペロブスカイト化合物の
誘電体への適用が広く研究され、一部で実用化に至って
いる。
【0005】鉛系ペロブスカイト化合物には焼成温度が
1100℃以下であるものがあり、これを用いることで
積層セラミックコンデンサ用の内部電極にコストの安い
銀パラジウム等を使用することができるという利点があ
る。更に、複数の鉛系ペロブスカイト化合物を組み合わ
せることによって室温での比誘電率が2000以上の高
誘電率材料からEIA規格のX7R特性を満足するよう
な比誘電率の温度による変化が小さい材料まで幅広く設
計することができる。前者の例としては、例えば特開昭
48−81097号公報に記載されているマグネシウム
ニオブ酸鉛[PMN:Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]、
チタン酸鉛(PT:PbTiO3)及びニッケンルニオ
ブ酸鉛[PNN:Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]の3種
類の鉛系ペロブスカイト化合物の複合系が挙げられる。
また、後者の例としては、例えば特開昭58−0606
71号公報、特開昭60−042277号公報、特開昭
60−036371号公報等があげられる。
【0006】しかし、特開昭58−060671号公報
には、鉛系ペロブスカイト化合物を誘電体として用いて
30℃〜85℃におけるコンデンサの静電容量の温度に
よる変化を±22%以内(EIA規格のY5S特性相
当)にすることが可能である、と記載されているもの
の、静電容量の温度による変化を小さくできる組成を採
用した場合のほとんどで室温での比誘電率が低くなると
いう問題があった。
【0007】また、マンガン化合物を添加して静電容量
の温度特性を改善する手段もあるが、この場合、バイロ
クロア相、酸化鉛等の第二相が生成し、比誘電率を著し
く低下させるという問題があった。
【0008】静電容量の温度特性を向上させるもう一つ
の手段としては、鉛系ペロブスカイト化合物の鉛(P
b)の一部を他のアルカリ土類金属であるバリウム(B
a)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)で
置換する方法がある。例えば特開平1−298061号
公報に、マグネシウムニオブ酸鉛[PMN:Pb(Mg
1/3Nb2/3)O3]、チタン酸鉛(PT)、ジルコン酸
鉛(PZ:PbZrO3)の複合ペロブスカイト化合物
のPbの一部をBa及びSrの少なくとも1種以上の元
素で置換する組成物が示されている。しかし、特開平1
−298061号公報に記載の複合ペロブスカイト化合
物には、焼成温度が1000〜1300℃であり、中に
は内部電極に安価な銀パラジウムを利用できないものが
ある。
【0009】また、特開平4−115408号公報にお
いて、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)と別の鉛系ペ
ロブスカイト化合物の複合体のPbの一部をBa、S
r、Ca、Agで置換した組成物が開示されている。し
かし、これらの組成物では、比誘電率の温度特性を、−
30℃〜+85℃の範囲内で±22%以内にすることは
困難であった。
【0010】一方、特開平3−223162号公報にお
いて、マグネシウムタングステン酸鉛[PMW:Pb
(Mg1/21/2)O3]、ニッケルニオブ酸鉛(PN
N)、チタン酸鉛(PT)及びジルコン酸鉛(PZ)の
複合ペロブスカイト化合物にマンガンニオブ酸鉛[PM
nNb:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3]を添加した組成
が開示されている。これらの組成では室温での比誘電率
が8000以上で、静電容量に関するY5T特性(−3
0℃〜+85℃:ΔC/C(20℃):+22%〜−3
3%)を満足することはできるものの、やはり比誘電率
の変化率を±22%以内にすることができないという問
題があった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述のとおり、鉛系ペ
ロブスカイト化合物は、積層セラミックコンデンサの誘
電体としての種々の利点を有するものであるが、積層セ
ラミックコンデンサの更なる小型高容量化や性能のさら
なる向上等の要請に対応するにはなお改善すべき点があ
った。すなわち、従来技術においては、室温での比誘電
率が高く、かつ比誘電率の温度による変化が小さい、と
いう特性に加えて焼成温度が1100℃以下である鉛系
ペロブスカイト化合物を主成分とする誘電体磁器組成物
は未だ見い出されていないのが現状である。
【0012】また、鉛系ペロブスカイト化合物のPbイ
オンサイトを他のアルカリ土類金属(Ba、Sr、C
a)で置換すると比誘電率の極大値は小さくなるが、キ
ュリー点が大きく低温側にシフトするため材料設計が困
難となる。
【0013】一方、近年におけるコンデンサの小型化に
ともなって、例えば厚みが10μm以下という非常に薄
いものが求められており、かかる要求を満足するため
に、誘電体磁器組成物には、粒径が2〜3μm以下であ
り、焼成により誘電体とした場合の曲げ強度が高いこと
が要求されるようになっている。
【0014】本発明の目的は、これらの要請に十分に対
応し得る誘電体磁器組成物、すなわち、焼成温度が11
00℃以下であり、室温での比誘電率が高く、好ましく
は4000以上であり、−30〜+85℃における比誘
電率の変化が−30%以内である誘電体磁器組成物を提
供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成し得る
本発明の誘電体磁器組成物は、(a)マグネシウムタン
グステン酸鉛(Pb(Mg1/2W1/2)O3)、(b)ニッケルニ
オブ酸鉛(Pb(Ni1/3Nb2 /3)O3)、(c)チタン酸鉛(Pb
TiO3)及び(d)ジルコン酸鉛(PbZrO3)の4種の鉛系
ペロブスカイト化合物を主成分とし、更に希土類酸化物
を含有する誘電体磁器組成物であって、前記(a)〜
(d)の主成分の各組成比率(モル比)をそれぞれx、
y、z及びu(ただし、x+y+z+u=1)とし、そ
れらの組成比率を正四面体で表される組成図上で表わし
た時に、これら成分の組成比率が、以下の各点BCDA
EFGH: u=0.20で示される面上における点: A:(x、y、z)=(0.08、0.40、0.32) B:(x、y、z)=(0.40、0.04、0.36) C:(x、y、z)=(0.455、0.04、0.305) D:(x、y、z)=(0.145、0.40、0.255) u=0.40で示される面上における点: E:(x、y、z)=(0.17、0.30、0.13) F:(x、y、z)=(0.35、0.02、0.23) G:(x、y、z)=(0.405、0.02、0.175) H:(x、y、z)=(0.215、0.30、0.085) で規定される六面体上及び該六面体内の領域に位置し、
かつ、前記希土類酸化物が、前記鉛系ペロブスカイト化
合物(a)〜(d)の合計モル数に対して0.1〜5.
0モル%添加されていることを特徴とする。
【0016】上記の(a)〜(d)の4成分の組成モル
比を示す正四面体及び上記のA〜Hの各点は、図1に示
されるとおりである。なお、uの値が0.20未満では
組成物の比誘電率の温度特性の改善効果が得られず、ま
た、0.40を超えると主組成の比誘電率が小さくなり
すぎる、誘電体を得る際の焼成温度が高くなる、という
問題がある。
【0017】更に、上記の組成からPbOの量を、化学
量論量に対して0.1〜2.0モル(mol)%欠損さ
せて本発明の誘電体磁器組成物とすることもできる。
【0018】本発明の誘電体磁器組成物は、上記の特定
の組成を有することによって、焼成温度が1100℃以
下であり、室温での比誘電率が高く、好ましくは400
0以上であり、−30〜+85℃における比誘電率の変
化が−30%以内であるという特性を有することが可能
となる。従って、本発明の誘電体磁器組成物によれば、
積層セラミックコンデンサの高性能化、小型高容量化及
び製造コストの低減を実現できる。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の誘電体磁器組成物は、上
記の組成が得られるように必要な原料を混合した材料混
合物を焼成することで製造することができる。鉛系ペロ
ブスカイト化合物を得るための原料混合物を調製するた
めの材料としては、例えば、酸化鉛、酸化マグネシウ
ム、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化チタン、酸
化ジルコニウム等を挙げることができる。なお、これら
の材料は適宜変更可能である。
【0020】また、希土類酸化物としては、例えば、L
23、Nd23、Sm23、Gd 23及びYb23
らなる群より選択された1種以上が利用できる。希土類
酸化物の添加量は、前記(a)〜(d)の成分の合計モ
ル数の0.1〜5.0モル%の範囲とされる。例えば、
(a)〜(d)の成分の合計モル数が100モルの場合
は、希土類酸化物のモル数が0.1〜5.0モルの範囲
となるように添加される。この範囲よりも添加量を多く
すると、比誘電率が小さくなり過ぎたり、誘電体を形成
する際の焼成温度が高くなりすぎるという弊害が現れる
ため好ましくない。
【0021】更に、希土類酸化物の種類によってキュリ
ー点のシフトの量が異なるので、主組成(a)〜(d)
のキュリー点が室温から外れていても適当な希土類酸化
物を選択することによってキュリー点を室温付近とし、
かつそのディプレス効果によって比誘電率の温度特性を
良くすることができる。このような目的で希土類酸化物
を用いる場合の主組成のキュリー温度は10℃〜70℃
程度にすることが望ましい。すなわち、希土類酸化物に
はキュリー点を高温側にシフトさせる作用はないため
に、主組成のキュリー点が低すぎると比誘電体率の温度
特性を良くすることができない場合があり、また、高す
ぎるとキュリー点を適当な値に調整することができない
場合がある。
【0022】本発明の誘電体磁器組成物には、上記の
(a)〜(d)の主成分と希土類酸化物の他に必要に応
じて、本発明の効果を損なわない範囲の量で他の成分を
添加することができる。例えば、これらの(a)〜
(d)の主成分の合計モル数に対して0.1〜5.0モ
ル%の範囲内でマンガンニオブ酸鉛(Pb(Mn1/3Nb2/3)
O3)を含有させることで、比誘電率の温度特性を更に改
善することができる。なお、この範囲よりも多い添加量
とした場合、温度特性の改善効果は現れず、比誘電率が
小さくなるだけであり、かつ誘電体を形成する際の焼成
温度も高くなるため、やはり好ましくない。
【0023】更に、上記の組成からPbOの量が、化学
量論量に対して0.1〜2.0モル(mol)%欠損す
るように原料混合物を調製して本発明の誘電体磁器組成
物を得ることもできる。
【0024】このようにPbO量を減らした場合、誘電
体を形成する際の最適焼成温度が若干高くなるものの、
曲げ強度が向上し、かつ誘電特性は化学量論組成のもの
とほとんど変らないので、強度の向上を図ることが可能
となる。しかし、欠損量が2モル%を越える場合、実用
上の問題はないが、誘電体の形成時における最適焼成温
度が1100℃を越えるので、コストの低減という観点
からは、欠損量を2モル%以内とするのが好ましい。
【0025】原料混合物は、種々の方法により調製可能
であり、例えば、各材料を常法により湿式混合して得る
ことができる。得られた原料混合物を、800℃〜90
0℃で焼成し、必要に応じて得られた焼成体を常法によ
り湿式粉砕を行い、濾過によって固形分を回収し、乾燥
させて粉末状の誘電体磁器組成物を得ることができる。
なお、該組成物の形態は粉末状に限定されないが、焼成
によって所望の形状の誘電体とするには粉末状のものが
好ましい。粉末状とする場合の粒径としても種々の粒径
とすることができ、例えば、粒径0.1μm〜1μmの
粉末とするのが好ましい。また、薄膜化のためには焼成
後の粒径が2〜3μm程度であることが好ましい。
【0026】このようにして得られた粉末状の誘電体磁
器組成物を、プレス機等で所望の形状に成形し、900
〜1100℃で焼成することにより誘電体を得ることが
でき、これを用いて常法により積層セラミックコンデン
サを製造することができる。
【0027】本発明の誘電体磁器組成物を用いること
で、コンデンサ用の誘電体を得る際の焼成温度を110
0℃以下、好ましくは900℃〜1100℃とし、かつ
比誘電率が4000以上、好ましくは5000以上、−
30℃〜+85℃での+20℃を基準とした比誘電率の
変化が−30%以内、好ましくは−22%以内である誘
電体を得ることができる。
【0028】
【実施例】 実施例及び比較例 出発原料として酸化鉛(PbO)、酸化マグネシウム
(Mg0)、酸化ニッケル(NiO)、酸化タングステ
ン(WO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウ
ム(ZrO3)、各種希土類酸化物、炭酸マンガン(M
nCO3)及び酸化ニオブ(Nb25)から表1に示す
組成番号1〜40における各組成比から秤取すべき原料
の必要量を決定した。
【0029】選択された各原料の必要量を秤量し、樹脂
ボールミル中で湿式混合を行った後、800〜900℃
で焼成(予焼)し、得られた焼成体を樹脂ボールミル中
で湿式で粉砕し、固形分を濾過により回収してから乾燥
させて、粉末状の誘電体磁器組成物を得た。得られた組
成物の粒径は、BET比表面積から換算すると約0.6
μmであった。
【0030】この粉末状の組成物を、直径約15mm、
厚さ約1.5mmの円板状にプレス成形し、900℃〜
1100℃で本焼成を行い円板状の誘電体試料を得た。
この誘電体試料の両面に銀ペーストを塗布し、電気炉中
で焼き付けることによって電極としコンデンサを得た。
得られた各コンデンサの−30℃、室温、+20℃及び
+85℃での静電容量(C)をLCRメータを用いて測
定し、各温度条件での比誘電率を求めた。表2に各組成
において得られた値を示す。
【0031】なお、表1、2において、PMW、PN
N、PT、PZはそれぞれ上記の(a)〜(d)の各鉛
系ペロブスカイト化合物を示す。また、表2における最
適焼成温度は比誘電率が最大を示す温度(いわゆるキュ
リー点)における比誘電率が最も高くなる本焼成の温度
であり、ε変化率は+20℃での比誘電率を基準とした
ときの−30℃及び+85℃における比誘電率の変化率
を示す。また、「*」は比較例を示す。更に、表1にお
ける「−」は無添加を示し、表2における「−」は未測
定を示す。
【0032】一方、組成番号21、24〜27の組成を
有する円板状の誘電体試料について3点曲げ法によって
曲げ強度を測定した。その結果を、表3に示す。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】 更に、組成番号1、2の比誘電率の温度依存性(温度特
性)を常法により測定し、得られた結果を図2に示す。
更に、組成番号12〜15の比誘電率の温度依存性(温
度特性)を常法により測定し、得られた結果を図3に示
す。
【0036】
【発明の効果】上記の実施例及び比較例から明らかなよ
うに、主成分である前述の(a)〜(d)の4種の鉛系
ペロブスカイト化合物に所定量の希土類酸化物を添加す
ると、比誘電率の温度特性における最大値が小さくな
り、その温度特性が改善されることが分かる。
【0037】希土類酸化物を添加した上に更にマンガン
ニオブ酸鉛を添加すると、その添加量に応じて温度−比
誘電率曲線における比誘電率のピークが低温側または高
温側に移動し、その添加量を選択することで更に温度特
性を向上させることができる。
【0038】更に、PbOの量を化学量論量に対する所
定の割合で欠損させることで、誘電体としたときの強度
を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における主組成の組成比を示す正四面体
グラフ及び平面グラフを示す。
【図2】組成番号1、2の比誘電率の温度依存性(温度
特性)を示すグラフである。
【図3】組成番号12〜15の比誘電率の温度依存性
(温度特性)を示すグラフである。上から順にPbMn
Nbの添加量が、0.1、2.0、5.0及び6.0
(mol%)の場合をそれぞれ示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 伸二 兵庫県宍粟郡山崎町須賀沢231番地 兵 庫日本電気株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−223162(JP,A) 特開 昭62−138360(JP,A) 特開 平8−290966(JP,A) 特表 平4−504061(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/49 H01B 3/12 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)マグネシウムタングステン酸鉛
    (Pb(Mg1/2W1/2)O3)、(b)ニッケルニオブ酸鉛(Pb
    (Ni1/3Nb2/3)O3)、(c)チタン酸鉛(PbTiO3)及び
    (d)ジルコン酸鉛(PbZrO3)の4種の鉛系ペロブスカ
    イト化合物を主成分とし、更に希土類酸化物を含有する
    誘電体磁器組成物であって、 前記(a)〜(d)の主成分の組成比率(モル比)をそ
    れぞれx、y、z及びu(ただし、x+y+z+u=
    1)とし、それらの組成比率を正四面体で表される組成
    図上で表わした時に、これら成分の構成比率が、以下の
    各点BCDAEFGH: u=0.20で示される面上における点: A:(x、y、z)=(0.08、0.40、0.32) B:(x、y、z)=(0.40、0.04、0.36) C:(x、y、z)=(0.455、0.04、0.305) D:(x、y、z)=(0.145、0.40、0.255) u=0.40で示される面上における点: E:(x、y、z)=(0.17、0.30、0.13) F:(x、y、z)=(0.35、0.02、0.23) G:(x、y、z)=(0.405、0.02、0.175) H:(x、y、z)=(0.215、0.30、0.085) で規定される六面体上及び該六面体内の領域に位置し、 かつ、前記希土類酸化物が、前記鉛系ペロブスカイト化
    合物(a)〜(d)の合計モル数に対して0.1〜5.
    0モル%添加されていることを特徴とする誘電体磁器組
    成物。
  2. 【請求項2】 前記希土類酸化物が、La23、Nd2
    3、Sm23、Gd 23及びYb23からなる群より
    選択された1種以上である請求項1に記載の誘電体磁器
    組成物。
  3. 【請求項3】 前記成分(a)〜(d)の合計量に対し
    て0.1〜5.0モル%の量でマンガンニオブ酸鉛(Pb
    (Mn1/3Nb2/3)O3)を含有する請求項1または2に記載の
    誘電体磁器組成物。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3に記載の誘電体磁器組成物
    におけるPbOの量を、化学量論量に対して0.1〜
    2.0モル%欠損させた誘電体磁器組成物。
  5. 【請求項5】 (a)マグネシウムタングステン酸鉛
    (Pb(Mg1/2W1/2)O3)、(b)ニッケルニオブ酸鉛(Pb
    (Ni1/3Nb2/3)O3)、(c)チタン酸鉛(PbTiO3)及び
    (d)ジルコン酸鉛(PbZrO3)の4種の鉛系ペロブスカ
    イト化合物を主成分とし、更に希土類酸化物を含有し、 前記(a)〜(d)の主成分の各組成比率(モル比)を
    それぞれx、y、z及びu(ただし、x+y+z+u=
    1)とし、それらの組成比率を正四面体で表される組成
    図上で表わした時に、これら成分の構成比率が、以下の
    各点BCDAEFGH: u=0.20で示される面上における点: A:(x、y、z)=(0.08、0.40、0.32) B:(x、y、z)=(0.40、0.04、0.36) C:(x、y、z)=(0.455、0.04、0.305) D:(x、y、z)=(0.145、0.40、0.255) u=0.40で示される面上における点: E:(x、y、z)=(0.17、0.30、0.13) F:(x、y、z)=(0.35、0.02、0.23) G:(x、y、z)=(0.405、0.02、0.175) H:(x、y、z)=(0.215、0.30、0.085) で規定される六面体上及び該六面体内の領域に位置し、 かつ、前記希土類酸化物が、前記鉛系ペロブスカイト化
    合物(a)〜(d)の合計モル数に対して0.1〜5.
    0モル%添加されている誘電体磁器組成物の製造方法で
    あって、 酸化鉛、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化タング
    ステン、酸化チタン、酸化ジルコニウム及び希土類酸化
    物を上記組成に対応する量で混合した原料混合物を焼成
    することを特徴とする誘電体磁器組成物の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記原料混合物の予焼温度が800〜9
    00℃である請求項5に記載の誘電体磁器組成物の製造
    方法。
  7. 【請求項7】 前記希土類酸化物が、La23、Nd2
    3、Sm23、Gd 23及びYb23からなる群より
    選択された1種以上である請求項5または6に記載の誘
    電体磁器組成物の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記誘電体組成物が、前記成分(a)〜
    (d)の合計量に対して0.1〜5.0モル%の量でマ
    ンガンニオブ酸鉛(Pb(Mn1/3Nb2/3)O3)を含有するよう
    に、前記原料混合物に炭酸マンガン及び酸化ニオブを添
    加する請求項5〜7のいずれかに記載の誘電体磁器組成
    物の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記誘電体磁器組成物におけるPbOの
    量を、化学量論量に対して0.1〜2.0モル%欠損さ
    せるように前記原料混合物の組成を調整する請求項5〜
    8のいずれかに記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項1〜4のいずれかに記載の誘電
    体磁器組成物を1100℃以下の温度で焼結してなるこ
    とを特徴とするセラミックコンデンサ用誘電体。
  11. 【請求項11】 請求項1〜4のいずれかに記載の誘電
    体磁器組成物を900〜1100℃の温度で焼結してな
    ることを特徴とするセラミックコンデンサ用誘電体。
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