JP3085596B2

JP3085596B2 - 積層セラミックコンデンサ

Info

Publication number: JP3085596B2
Application number: JP03315664A
Authority: JP
Inventors: 宣雄横江; 直興宮本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 2000-09-11
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JPH05152157A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型大容量であって、
且つ静電容量の温度変化率を小さくした積層セラミック
コンデンサに関するものである。

【０００２】

【従来技術及びその課題】電子機器の小型軽量化が進展
するに伴って、回路基板に搭載する電子部品も小型化、
高密度実装対応が要求されるようになってきた。この様
な要求に対して、コンデンサ分野では、小型で大きな静
電容量の得られるチップタイプの積層セラミックコンデ
ンサが多用されるようになっている。この様な高容量の
積層セラミックコンデンサには、誘電体材料としてチタ
ン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）に代表される高誘電率系
材料が用いられてきた。一方、この高誘電率系材料は比
誘電率の温度変化率が大きいという問題点があり、添加
剤によって温度特性の改善を図っているものの、比誘電
率の低下を伴い、小型化の要求に充分対応できないた
め、静電容量の温度変化率が小さく、しかも大容量が要
求される部分には、タンタルコンデンサなどの比較的大
型の部品を使用せざるを得なかった。そのために、小型
高容量であって静電容量の温度変化率が小さい積層セラ
ミックコンデンサの出現が望まれている。

【０００３】この様な背景の中で、高誘電率系積層セラ
ミックコンデンサ材料として低温焼成が可能な複合ペロ
ブスカイト系の誘電体材料を用いると共に、これらの材
料において、キュリー点の異なる複数種類の誘電体層を
積層し、各容量を並列接続した構造として、一体に焼成
して、静電容量の温度変化率を小さくした複合誘電体層
型の積層セラミックコンデンサが提案され、注目されて
いる（例えば特開昭６４−６４２０９）。しかしなが
ら、これら複合誘電体層型積層セラミックコンデンサに
おいては、異なる誘電耐がそれぞれ相互間で異なる固有
物性を有し、製造時に発生する内部応力からデラミネー
ションやクラックが生じて製造効率を低下させたり、機
械的強度が劣るために、回路基板に実装して半田づけを
する際に、半田凝固時の応力が集中してコンデンサが損
傷するという問題があった。

【０００４】これらの問題点を解決する手段として、例
えば特開平２−７３６１４では、一主面側から他主面側
に向かって一方向に熱膨張係数が変化する様に誘電体層
を配置して、セラミック外装材により歪を補償すること
が記載されているが、この場合には、製造工程におい
て、誘電体材料グリーンシートとは別に外装用グリーン
シートを準備する必要があり、工程が複雑になるうえ、
外装材を用いたとしても焼成後の素子が一表面方向に湾
曲して、実装性を損なう問題があった。

【０００５】本発明は上述の問題点に鑑みて案出したも
のであり、その目的は、製造工程が容易で、機械的強度
に優れ、且つ小型高容量、温度特性の良好な積層セラミ
ックコンデンサを提供することにある。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明は、誘電体シー
トと内部電極とを交互に複数配した比誘電率温度特性依
存性の異なる少なくとも３以上の誘電体層群を積層し、
一体焼成した積層体に、前記積層体の対向する２つの端
面に前記内部電極と導通する端子電極を形成し、各誘電
体層群に形成される容量成分を並列接続してなる積層セ
ラミックコンデンサにおいて、前記積層体の両主面側に
同一種類の前記誘電体層群を配するとともに、該両主面
側の誘電体層群の厚みを、間に挟まれる他の誘電体層群
の誘電体シートの厚みよりも厚くし、且つ、前記両主面
側の誘電体層群が他の誘電体層群より小さい熱膨張係数
の材料で構成されたことを特徴とする積層セラミックコ
ンデンサである。

【０００７】

【０００８】

【作用】本発明によれば、内部電極が形成された比誘電
率温度依存性の異なる誘電体層群が少なくとも３以上積
層して積層体が構成され、その積層体の両主面側に同一
種類の誘電体層群を配置したため、積層体の厚み方向で
は同一種類の誘電体層群が対称に配置されることにな
り、これにより、小型大容量化を達成するとともに、一
主面方向に発生する内部応力による一主面の湾曲を有効
に防止することができる。また、積層体の両主面側に同
一種類の誘電体層群を配置して、その誘電体シートの厚
みを他の種類の誘電体層群の誘電体シートよりも厚くす
ることで積層体全体の機械的強度が向上する。さらに、
積層体の両主面側の誘電体層群が他の誘電体層群より小
さい熱膨張係数の材料で構成したために、デラミネーシ
ョンの発生を防止して信頼性を向上することができる。

【０００９】また、異種誘電体層間の境界部分の数を必
要最小限にすることにより、焼成時に異なる誘電体層群
間で含有成分の相互拡散が生じて温度特性が低減するこ
とを防止することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の積層セラミックコンデンサを
図面に基づいて説明する。図１に、第１の発明の積層セ
ラミックコンデンサの一例の断面図を示す。

【００１１】図１においては、積層セラミックコンデン
サ１は、所定比誘電率特性の誘電体層２ａとなる誘電体
シート間に内部電極３を形成した第１の誘電体層群Ａ
と、前記誘電体層２ａと比誘電率特性が異なる誘電体層
２ｂとなる誘電体シート間に内部電極３を形成した第２
の誘電体層群Ｂと、前記所定比誘電率特性の誘電体層２
ａ間に内部電極３を形成した第３の誘電体層群Ａ’とか
ら成る積層体に、端子電極４を形成して構成される。

【００１２】即ち、積層セラミックコンデンサ１の両表
面側に、互いに層数の等しい誘電体層２ａから成る誘電
体層群Ａ、Ａ’（第１の誘電体層群Ａと第３の誘電体層
群Ａ’）を対称的に配置し、誘電体層２ｂから成る第２
誘電体層群Ｂを挟む構造としている。尚、３は内部電
極、４は端子電極である。

【００１３】また、図２には誘電体材料が３種類からな
る場合の例を示す。この場合、両表面側に、互いに層数
の等しい誘電体層２ａから成る誘電体層群Ａ、Ａ’を夫
々配置し、誘電体層２ｂから成る誘電体層群Ｂ及び誘電
体層２ｃから成る誘電体層群Ｃを挟む構造としている。
この場合、誘電体層２ｂから成る誘電体層群Ｂ又は誘電
体層２ｃから成る誘電体層群Ｂをそれそれ２群設けて、
両主面の誘電体層２ａから成る誘電体層群と接するよう
に配置してもよい。ここで、両主面に配置される誘電体
層群Ａ、Ａ’を構成する誘電体層２ａの中で、最外表側
に位置する誘電体層２ａを、他の誘電体層２ａに比較し
て厚くすることによって、強度を高めても良い。このた
めには、内部電極３を印刷しない誘電体層２ａのグリー
ンシートを積層することにより容易に実現される。ま
た、誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃからなる各誘電体層群
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ’の配置順序としては、熱膨張係数の小
さい誘電体層群を表面側に配置すれば、異なる誘電体層
群の境界面で生じる内部応力が圧縮応力となり、デラミ
ネーションが生じにくくなるので、信頼性を上げる意味
で好ましいが、必ずしもそれに限定するものではない。

【００１４】各誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃの厚みは、５
〜１００μｍの範囲、好ましくは、１０〜５０μｍの範
囲とするのがよい。５μｍ以下では、グリーンシートを
均一に作ることが困難で、内部電極３間の短絡が生じる
恐れがあり、一方、１００μｍ以上では、小型化して必
要な静電容量を得るという目的を満足させることができ
ない。この厚みの範囲内で、積層体の両主面側に配置さ
れる誘電体層群Ａ、Ａ’を構成する誘電体層２ａを厚み
を、他の誘電体層２ｂ、２ｃの厚みよりも大きくするこ
とが重要である。

【００１５】誘電体材料としては、例えば、第１の誘電
体材料として、複合酸化物、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）
Ｏ₃、及びＰｂ（Ｓｍ_1/2Ｎｂ_1/2）Ｏ₃からなる固溶
体がある。

【００１６】また、第２の誘電体材料として、上記材料
に更にＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、
ＰｂＴｉＯ₃を加えた固溶体にＭｎＯ₂を添加して第１
の誘電体材料に対して異なる温度特性を示すようにした
ものがある。

【００１７】また、第３の誘電体材料としては、第２の
誘電体材料の各々の成分の組成比を変えてキュリー点を
変えたものが挙げられる。

【００１８】但し、上記材料の組み合わせは一例であっ
て、本発明は特にこの材料に限定するものではない。他
の複合酸化物系材料、例えば、Ｐｂ（Ｆｅ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｆｅ_2/3Ｗ_1/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｍ
ｇ_1/2Ｗ_1/2）Ｏ₃などを要求特性に応じて適宜配合し
た材料も使用することができる。

【００１９】次に内部電極３の材料としては、従来の積
層セラミックコンデンサに用いるのと同様の材料、即ち
Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ及びそれらの合金粉末に有機ビ
ヒクルを混合したペーストを出発原料として用いる。こ
こで、特にデラミネーションを防止するという目的のた
めに、更にガラスフリットを添加して内部電極３の熱膨
張係数を調整してもよい。

【００２０】また、異なる誘電体層群間の境界部分には
導体層や絶縁体層を介在させ、相互拡散を防止すること
が必要である。相互拡散の影響を小さくするために、異
種の誘電体層の境界部分の数はできるだけ少なくするの
が好ましい。そのため、１種類の誘電体層は最大２分割
とする。導体層によって異なる誘電体層間の相互拡散を
防止する場合には、その導体層の材料は内部電極と同一
材料にすれば良い。また絶縁体層を介在させる場合は、
誘電体材料と固溶しにくいセラミック材料を選択する。

【００２１】上記構成によれば、焼成時に異種誘電体層
群間で生じる内部応力の影響を低減し、しかもその応力
は積層体の両表面側に対して対称的に作用するため、積
層したコンデンサ素子が一表面方向に湾曲するのを防止
することができる。また、異種誘電体層群間の境界部分
の数を必要最小限にすることにより、焼成時に異なる誘
電体層群間で含有成分の相互拡散が生じて温度特性が低
下することを防止する。更に誘電体層群間の接合強度を
高めることができる。

【００２２】以上の結果、機械的強度に優れた信頼性の
高い積層セラミックコンデンサが得られる。

【００２３】次に、図３に第２の発明の積層セラミック
コンデンサの一例の断面図を示す。図においては、積層
セラミックコンデンサ１は、比誘電率温度依存性が異な
る２種類の誘電体層２ａ及び２ｂから成る誘電体層群
Ａ、Ａ’、Ｂから構成され、両表面側に誘電体層２ａか
らなる誘電体層群Ａ、Ａ’が夫々配置されている。

【００２４】両表面側に誘電体層群Ａ、Ａ’を構成する
誘電体層２ａの層厚は、他の誘電体層群Ｂを構成する誘
電体層２ｂの層厚より大きくなっている。

【００２５】このとき、熱膨張係数の小さい方の材料で
誘電体層２ａを構成する方がデラミネーションを起こさ
ず、信頼性を上げる意味で好ましい。また、誘電体層２
ａの層厚が大きいことにより、誘電体層２ａの１層分の
静電容量が相対的に小さくなるので、誘電体層２ａから
成る誘電体層群Ａ、Ａ’の積層数を、誘電体層２ｂから
成る誘電体層群Ｂよりも増やして設計とする方が温度特
性のバランスから考えて好ましい。このように、層厚の
大きい誘電体層２ａから成る誘電体層群Ａ、Ａ’を両表
面層側に配置することが強度的にも好都合である。

【００２６】また、図４には誘電体材料が３種類の誘電
体層２ａ、２ｂ、２ｃから成る誘電体層群Ａ、Ａ’、
Ｂ、Ｃから構成された例を示す。この場合、両表面側に
配置される誘電体層群Ａ、Ａ’を構成する誘電体層２ａ
の層厚の一番大きく、誘電体層２ｂ及び２ｃを挟む構造
としている。誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃの一層分の層厚
関係としては、熱膨張係数の一番小さい誘電体層を、一
番層厚の厚い誘電体層として誘電体層群Ａ、Ａ’を構成
して、積層体の両表面側に配置することが良いことは、
図３の場合と同様である。

【００２７】また、第２の発明においても、積層体の両
主面に配置される誘電体層群Ａ、Ａ’を構成する誘電体
層２ａの中で、最外表面側の誘電体層２ａのみを更に厚
くすることで、本発明の目的が一層効果的に達成される
ことになる。

【００２８】各々の誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃの一層分
の厚みの範囲は第１の発明と同様であるが、本発明にお
いては更に層厚の大きい誘電体層２ａの層厚を、他方の
誘電体層２ｂの層厚よりも５〜３０μｍの範囲で大きく
するのが好ましい。この範囲内に設定することにより、
コンデンサを小型化して必要な静電容量を得た上で、本
発明の目的を効果的に達成できる。

【００２９】第２の発明の構造によって、両主面側の誘
電体層群Ａ、Ａ’を構成する誘電体層２ａのの層厚が大
きくなっているため、耐環境性に優れ、長期信頼性を高
めることができる。また、層厚の大きい誘電体層２ａに
熱膨張率の相対的に小さい材料を選択することにより、
内部歪の低減化も図ることができる。

【００３０】（実験例１）４９モル％のＰｂ（Ｍｇ_1/3
Ｎｂ_1/2）Ｏ₃、４４モル％のＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎ
ｂ_1/2）Ｏ₃、２モル％のＰｂ（Ｓｍ_1/2Ｎｂ_1/2）Ｏ
₃、及び５モル％のＢａＴｉＯ₃からなる組成物に０．
１重量％のＭｎＯ₂を添加した第１の組成物（誘電体層
２ａとなる）と、９５モル％のＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃、５モル％のＰｂ（Ｓｍ_1/2Ｎｂ_1/2）Ｏ
₃からなる第２の組成物（誘電体層２ｂ）と、３４モル
％のＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、５８モル％のＰｂ
（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/ ₃）Ｏ₃、２モル％のＰｂ（Ｓｍ_1/2
Ｎｂ_1/2）Ｏ₃、及び６モル％のＰｂＴｉＯ₃からなる
組成物に０．４重量％のＭｎＯ₂を添加した第３の組成
物（誘電体層２ｃとなる）を、夫々別々にそれぞれ調合
−混合−仮焼−粉砕の工程によって作製した。尚、上述
の組成物の出発原料はＰｂＯ、ＭｇＯ・Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｚ
ｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｓｍ
₂Ｏ₃及びＭｎＯ₂の粉末原料を各組成物となるように
秤量しする。また、仮焼はいずれも８００℃、３時間の
条件で行った。また、粉砕はいずれも粉末の比表面積が
４〜６平方メートル／グラムになるまで、ジルコニアボ
ールを用い、湿式粉砕した。

【００３１】次に第１乃至第３の組成物粉末にそれぞれ
分散剤と水を加え、更に有機エマルジョン結合剤を加え
て、ドクターブレード法によって共に厚さ２５μｍのグ
リーンシートを成形した。これにより、比誘電率温度依
存性が異なる誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃとなる３つのグ
リーンシートが形成される。

【００３２】得られた第１のグリーンシートを５枚積層
した後、Ａｇ７０％とＰｄ３０％からなる導電ペースト
を用いて内部電極３を印刷した第１のグリーンシートを
４枚積層し、さらに、内部電極３を印刷した第２のシー
トを３枚、内部電極３を印刷した第３のシートを５枚、
内部電極３を印刷した第２のシートを３枚、内部電極３
を印刷した第１のシートを３枚積層し、さらに内部電極
３が印刷されていない第１のシートを６枚積層して、積
層圧着した。即ち、積層体において、両主面側に夫々第
１のシートが９層積層されることになる。尚、内部電極
３の乾燥後の厚さは２．８ミクロンであった。

【００３３】次に、上記積層圧着体を３．２ｍｍ×１．
６ｍｍサイズの個別の素子に切断して脱バインダー処理
を行った後、１０３０℃で２時間大気雰囲気による焼成
を行った。次いで、焼成後の素子の端子電極部分にＡｇ
ペーストを塗布して７００℃で焼き付けし、最後にＮ
ｉ、Ｓｎの電解メッキを順次施して積層セラミックコン
デンサの評価用試料を得た。この試料の常温における電
気的特性を測定したところ、平均値で、容量が１３４．
８ｎＦ、誘電損失（ｔａｎδ）が１．８７％、絶縁抵抗
値（ＩＲ）が１．４×１０⁵ＭΩ、２５℃におけるＣＲ
値が１８８７０ΩＦ、８５℃におけるＣＲ値が８８６０
ΩＦ、破壊電圧（ＢＤＶ）が１１６０Ｖであり、温度特
性がＹ５Ｒ特性を満足することが確認できた。

【００３４】また、静電容量と誘電損失の温度依存性を
測定した結果は、図５のようになった。これらの結果か
ら、誘電損失が３％以下で、比誘電率が平均６０００と
高く、静電容量の変化率が−３０℃〜＋８５℃の範囲で
±１０％以下という、温度特性に優れた積層セラミック
コンデンサが得られていることが確認された。

【００３５】次に、この試料を１００個準備し実装テス
ト、各種信頼性テストを行ったが、クラックや静電容量
不良の問題点は生じなかった。

【００３６】（実施例２）第１のグリーンシートの厚み
を３５μｍ、第２、第３グリーンシートの厚みを共に２
５μｍとして、得られた第１のグリーンシートを５枚積
層した後、Ａｇ７０％とＰｄ３０％からなる導電ペース
トを用いて内部電極３を印刷した第１のグリーンシート
を６枚積層し、さらに、内部電極３を印刷した第２のシ
ートを６枚、内部電極３を印刷した第３のシートを５
枚、内部電極３を印刷した第１のシートを５枚、さらに
内部電極３が印刷されていない第１のシートを６枚積層
して、積層圧着した。即ち、積層体において、両主面側
に夫々第１のシートが１１層積層されることになる。こ
れを実施例１と同様の手順で積層セラミックコンデンサ
の評価用試料を得た。

【００３７】この試料の電気特性を測定したところ、実
施例１と同様の温度特性が得られた。また、この試料を
１００個準備し実装テスト、各種信頼性テストを行った
が、第１の実施例の場合と同様に、クラックや静電容量
不良の問題点は生じなかった。

【００３８】（比較例）第１乃至第３のグリーンシート
の厚みを共に２５ミクロンとして、それぞれのシートに
導電ペーストを内部電極のパターン形状に印刷し、順
次、第１のシートを６枚、第２のシートを６枚、第３の
シートを５枚積層した後、最後に導電ペーストを全く印
刷しない第３のシートを１枚積層し、合計１８枚を積層
圧着した点以外は実施例１と同様の手順で積層セラミッ
クコンデンサの評価用試料を得た。

【００３９】この試料を焼成後に観察したところ、内部
歪のために表面が一方向に湾曲しているのが観察され
た。

【００４０】この試料の電気特性を測定したところ、実
施例１と同様の温度特性が得られたものの、この試料を
１００個準備して、実装テストを行った結果、クラック
が総数の５％の割合で生じた。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、製造工
程を複雑にすることなしに、温度特性に優れているとと
もに、素子が湾曲せず寸法精度が良く、機械的強度に優
れ、クラックやデラミネーションがない信頼性の高い積
層セラミックコンデンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の積層セラミックコンデンサの一例
の断面図。

【図２】第１の発明の積層セラミックコンデンサの他の
一例の断面図。

【図３】第２の発明の積層セラミックコンデンサの一例
の断面図。

【図４】第２の発明の積層セラミックコンデンサの他の
一例の断面図。

【図５】静電容量と誘電損失の温度依存性を示す特性
図。

【符号の説明】

１・・・積層セラミックコンデンサ２ａ，２ｂ，２ｃ・・・誘電体層３・・・内部電極４・・・端子電極Ａ、Ｂ、Ｃ・・・誘電体層群

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体シートと内部電極とを交互に複数
配した比誘電率温度特性依存性の異なる少なくとも３以
上の誘電体層群を積層し、一体焼成した積層体に、前記
積層体の対向する２つの端面に前記内部電極と導通する
端子電極を形成し、各誘電体層群に形成される容量成分
を並列接続してなる積層セラミックコンデンサにおい
て、前記積層体の両主面側に同一種類の前記誘電体層群を配
するとともに、該両主面側の誘電体層群の厚みを、間に
挟まれる他の誘電体層群の誘電体シートの厚みよりも厚
くし、且つ、前記両主面側の誘電体層群が他の誘電体層
群より小さい熱膨張係数の材料で構成されたことを特徴
とする積層セラミックコンデンサ。