JP3071453B2 - 誘電体磁器組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、平坦な温度特性を有し、比誘電率が高く、
焼成温度が低い誘電体磁器組成物に関するものである。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来、チタン酸バリウムを主成分とし、温度特性が比
較的平坦で、比誘電率が高く、焼成温度が低い誘電体磁
器組成物として、五酸化ニオブ、チタン酸カルシウム、
希土類元素、酸化マンガンが添加されたものが知られて
いる。（特開昭59−18162号、特開昭59−94302号）。

しかし、かかる誘電体磁器組成物は、比誘電率εが20
00〜3000と比較的高い値が得られるものの、誘電損失ta
nδが非常に高い誘電体材料となってしまう。

誘電体磁器単体の誘電損失tanδが高いと、積層コン
デンサにその磁器を用いた時、そのコンデンサの誘電損
失tanδ不良となる。この積層コンデンサの誘電損失tan
δ不良を改善するには、誘電体材料のシート層を厚くす
ればよいものの、小型、低背型の積層コンデンサが強く
求められている現在においては、嵩高い積層コンデンサ
になってしまう。

本発明者らは上記問題点に鑑みて、鋭意研究を重ねた
結果、チタン酸バリウムに、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）、
酸化亜鉛（ZnO）、プラセオジウム化合物（Pr₆O₁₁）を
添加することにより、温度特性が比較的平坦で、比誘電
率が高く、焼成温度が低く、さらに誘電損失tanδが極
めて小さい誘電体磁器組成物が得られることを知見し
た。

〔問題点を解決するための具体的な手段〕

本発明が要旨とするところは、チタン酸バリウムBaTi
O₃100重量部に対して、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）が0.5〜
2.0重量％、酸化亜鉛（ZnO）が0.1〜0.8重量％、プラセ
オジウム化合物（Pr₆O₁₁）が0.3〜0.8重量％添加されて
成る誘電体磁器組成物である。

五酸化ニオブ（Nb₂O₅）は磁器密度、温度特性に大き
く関与する。五酸化ニオブ（Nb₂O₅）が0.5重量％未満で
は焼結が不可能となり、2.0重量％を越えると、磁器密
度が低くなり、結果として比誘電率ε、温度特性などが
劣化してしまう。

酸化亜鉛（ZnO）は焼結性、比誘電率ε、磁器密度に
大きく関与する。酸化亜鉛（ZnO）を含まないと焼結不
可能となり、また0.8重量％を越えると、磁器密度が低
くなり、結果として比誘電率ε、温度特性などが劣化す
る。

プラセオジウム化合物（Pr₆O₁₁）は焼結性、温度特
性、磁器密度に大きく関与する。プラセオジウム化合物
（Pr₆O₁₁）が0.3重量％未満では焼結不可能となり、0.8
重量％を超えると磁器密度及び温度特性などが劣化す
る。

誘電体磁器組成物を前記範囲内に設定することによ
り、誘電率を3000以上、温度変化率が−55〜125℃にわ
たって±15％以内、誘電損失tanδを0.7未満の誘電体磁
器組成物が得られ、コンデンサを作製するための誘電体
磁器シートの厚みを薄くできるので、積層数の少ない小
型、低背型の積層コンデンサが提供できる。また、焼成
温度が1300℃以下となり、積層コンデンサの内部電極材
料に比較的安価なAg−Pd（Ag/Pd＝60/40〜70/30）が使
用でき、安価な積層コンデンサが提供できる。

〔実施例〕

以下、本発明を具体的に説明する。

出発材料として、水熱合成法により生成されたチタン
酸バリウム100重量部に対してNb₂O₅、ZnO及びPr₆O₁₁を
表１に示す配合比になるように秤量し、ボールミルにて
20時間湿式粉砕した後、有機系粘結剤を添加する。しか
る後攪拌、ドクターブレード法で厚さ50μｍのテープに
成型した。このテープを30枚積層して、熱圧着（110
℃）した。このようにして作成された積層体を直径20mm
の円板状に打ち抜き、酸素雰囲気にて1250〜1300℃で２
時間焼成した。さらに両端面に銀ペーストによる電極を
焼きつけ試料とした。

このように形成された試料について、比誘電率ε及び
誘電損失tanδを基準温度25℃、周波数1.0kHz、測定電
圧1.0Vrmsで測定した。また磁器厚み、直径、重量を測
定し、磁器密度を求めた。容量の温度変化率（温度特
性）は−55℃〜＋125℃内で求めた。

その結果を表１に示す。試料番号に＊印を付したもの
は本発明の範囲外である。

そして本発明の範囲の評価として、比誘電率εは3000
以上を良品とした。即ち、比誘電率εが3000未満では、
充分な比誘電率εが得れず、これにより積層コンデンサ
の小型化が困難となってしまう。

また、誘電損失tanδは0.7％未満を良品とした。即
ち、誘電損失tanδが0.7％以上では、積層コンデンサの
誘電損失tanδ不良（2.5％以上）となり、容量の応答性
が劣化してしまう。誘電体磁器の誘電損失tanδは0.7％
であっても、誘電体磁器シートの一枚を30μｍ以上にす
れば、積層コンデンサの誘電損失tanδ不良は解消され
るものの、嵩高い積層セラミックコンデンサとなってし
まう。

また、温度特性は±15％以内を良品とした。即ち、温
度特性±15％以外になると、X7R（EIA規格）を満足しな
くなる。

また、磁器密度は5.70〜5.85g/cm³を良品とした。磁
器密度が5.70g/cm³未満では焼成が充分におこらず、比
誘電率ε、温度特性を劣化させてしまう。また磁器密度
が5.85g/cm³を越えると、誘電体磁器が過焼結状態とな
り、クラックや異常粒成長が起こり、耐圧特性や抗折強
度性が劣化してしまう。

また、焼成温度は1300℃以下が望ましい。焼成温度は
1300℃を越えると、内部電極にPdの含有率が高い高価な
材料を使用しなくては成らなくなる。

試料番号１〜７は誘電体材料の主成分となるBaTiO₃10
0重量部に添加するPr₆O₁₁の添加量を検討するため、Pr₆
O₁₁を0.2〜0.9重量％まで変化させた。この時、Nb₂O₅を
0.9〜1.2重量％、ZnOを0.2〜0.5重量％に設定した。

試料番号１（Pr₆O₁₁:0.2重量％）では焼結不可能とな
る。

試料番号２〜６（Pr₆O₁₁:0.3〜0.7重量％）では比誘
電率εが3740以上、誘電損失tanδが0.65％以下、温度
特性が−9.9〜＋15％、焼成温度が1300℃以下となり、E
IA規格のX7R特性を満足する小型・低背型積層コンデン
サ用の誘電体磁器組成物が達成できる。

試料番号７（Pr₆O₁₁:0.9重量％）では比誘電率ε、誘
電損失tanδ、磁器密度及び焼成温度が良好な結果が得
られるものの、温度特性が±15％を越えて−20％（−55
℃）となってしまう。

従って、本発明のBaTiO₃に添加するPr₆O₁₁を減少する
と焼結不可能となり、逆にNb₂O₅を増加すると温度特性
が極端に劣化する傾向がある。

結局、Pr₆O₁₁の添加量は、0.3〜0.8重量％の範囲とし
た。

試料番号８〜17は誘電体材料の主成分となるBaTiO₃10
0重量部に添加するNb₂O₅の添加量を検討するため、Nb₂O
₅を0.4〜2.1重量％まで変化させた。この時、ZnOを0.2
〜0.5重量％、Pr₆O₁₁を0.4〜0.6重量％に設定した。

試料番号８（Nb₂O₅:0.4重量％）では、焼結不可能と
なってしまう。

また、試料番号９〜16（Nb₂O₅:0.5〜2.0重量％）で
は、比誘電率εが3600以上、誘電損失tanδが0.65％以
下、温度変化率が−9.5〜14.5％、磁器密度が5.73〜5.7
6g/cm³、焼成温度1300℃以下となり、EIA規格のX7R特性
を満足する小型・低背型の積層コンデンサ用の誘電体磁
器組成物が達成できる。

試料番号17（Nb₂O₅:2.1重量％）では磁器密度が5.75g
/cm³未満の5.68g/cm³となり、比誘電率εが2860、温度
特性が±15％を越えて17.3％（125℃）となってしま
う。

従って、本発明のBaTiO₃に添加するNb₂O₅を0.5〜2.0
重量％とした。

試料番号18〜25は誘電体系磁組成物の主成分となるBa
TiO₃100重量部に添加するZnOの添加量を検討するため、
ZnOを０〜0.9重量％まで変化させた。この時、Nb₂O₅の
添加量を0.9〜1.3重量％に、Pr₆O₁₁の添加量を0.4〜0.6
重量％に設定した。

試料番号18（ZnO:0）では、焼結不可能となってしま
う。

試料番号19〜24（ZnO:0.1〜0.8重量％）では比誘電率
εが3500以上、誘電損失tanδが0.65％以下、温度特性
が−10.0〜＋14.2％、磁器密度が5.74〜5.80g/cm³、焼
成温度が1300℃以下となり、EIA規格のX7R特性を満足す
る小型で低背型の積層コンデンサ用の誘電体磁器組成物
が達成できる。

試料番号25（ZnO:0.9重量％）では磁器密度が5.75g/c
m³未満の5.63g/cm³となり、比誘電率εが2820、温度特
性が±15％を大きく越えて−40〜26％となってしまう。

従ってZnOの添加量は、0.1〜0.8重量％の範囲とし
た。

以上のように、チタン酸バリウムBaTiO₃100重量部に
対して、Nb₂O₅が0.5〜2.0重量％、ZnOが0.1〜0.8重量
％、Pr₆O₁₁が0.3〜0.8重量％添加されて成る誘電体磁器
組成物では、比誘電率εが3000以上、誘電損失tanδが
0.7％以下、温度特性が±15％（−55〜＋125℃）、磁器
密度が5.7〜5.85g/cm³、焼成温度が1300℃以下の誘電体
磁器組成物が達成できる。

この誘電体磁器組成物を用いて、積層コンデンサを作
成すると、高い比誘電率で温度特性X7R（EIA規格）を満
足し、誘電損失tanδが大変に小さいため、磁器シート
の厚みを30μｍ以下としても、容量の応答性の優れた積
層コンデンサが可能となり、コンデンサの低背化が達成
できる。さらには焼成温度が1300℃以下であるため、内
部電極材料にAg−Pd（Ag/60/40〜70/30）の安価な材料
が使用でき、安価な積層コンデンサが達成される。

次に、チタン酸バリウムの生成方法について検討す
る。一般にチタン酸バリウムの生成方法には、上述の実
施例で採用される水熱合成方法の他に固相法、蓚酸法が
知られている。上述の実施例で採用した水熱合成法で生
成したチタン酸バリウムは粒径が小さく、粒形状が一定
化する。このため、焼結温度が他の生成方法で作製した
ものよりも約100℃も小さくでき、粒子の異常成長がな
く、より緻密な磁器が達成できる。しかし、その他の固
相法や蓚酸法で生成したチタン酸バリウムでは粒径や形
状が不揃いとなり、安定した特性が得られないことがあ
る。

例えば、固相法で生成したチタン酸バリウム100重量
部に対して、Nb₂O₅を1.0重量％、ZnOを0.2重量％、Pr₆O
₁₁を0.5重量％添加して、その特性を測定すると、試料
の中には、誘電損失tanδが13.7％、温度特性が−15〜
＋27％、磁器密度が5.06g/cm³及び焼成温度が1320℃と
なり良品の範囲を越えてしまうものがある。

また、蓚酸法で生成したチタン酸バリウム100重量部
に対して、Nb₂O₅を1.0重量％、ZnOを0.2重量％、Pr₆O₁₁
を0.5重量％添加して、その特性を測定すると、試料の
中には、誘電損失tanδが22.6％、温度特性が−24〜＋
8.6％、磁器密度が5.34g/cm³となり良品の範囲を越えて
しまうものがある。

したがって、水熱合成法チタン酸バリウムを生成する
方法が望ましい。これにより、粒径が小さく、粒形状が
一定化したチタン酸バリウムが容易に得られ、焼結温度
が他の生成方法で作製したものよりも約100℃も小さく
でき、粒子の異常成長がなく、より緻密な磁器が達成で
きる。したがって、抗折強度に優れ、耐圧特性が向上し
た磁器となる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、誘電損失tanδが極
めて小さく且つ高比誘電率εで、温度特性に優れた誘電
体磁器組成物となる。

また、誘電損失tanδが極めて小さいため、一層の磁
器シートの薄い、低背型の積層コンデンサを可能とする
誘電体磁器組成物となる。

さらに焼成温度が低いため、内部電極に安価なAg−Pd
材料を用いた積層コンデンサに使用できる誘電体磁器組
成物となり、安価で且つ抗折強度に優れた積層コンデサ
を可能とする誘電体磁器組成物となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/42 - 35/49 H01B 3/00 - 3/14 ＣＡ（ＳＴＮ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チタン酸バリウムBaTiO₃100重量部に対し
   て、 Nb₂O₅が0.5〜2.0重量％、 ZnOが0.1〜0.8重量％、 Pr₆O₁₁が0.3〜0.8重量％ 添加されて成る誘電体磁器組成物。