JP3682392B2 - 積層セラミックコンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、積層セラミックコンデンサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
積層セラミックコンデンサ（以下、適宜「積層コンデンサ」と略称する）は、内部電極と誘電体層とからなる積層体を焼成し、この積層体外部に各内部電極の一端（本明細書において「端部」という）と導通接続される外部電極を形成することによって製造する。内部電極は金属によって構成されている一方、誘電体層はセラミックによって構成されており、このため積層コンデンサ内部に熱膨張係数の差（熱膨張係数のミスマッチ）が生じる。熱膨張係数のミスマッチは、焼成後の誘電体層とその近傍の内部電極との間に残留応力を生じさせる。
【０００３】
他方、積層コンデンサのキャパシタンスは内部電極の面積に比例して増加するので、できるだけ大きなキャパシタンスを得るためには、内部電極を構成する各内部電極の面積をできるだけ広くする必要がある。このため、端部の反対側に位置する各内部電極の開放端は、これらを長さ方向（幅方向）の位置関係を揃わせておくのが一般的な方法である。
【０００４】
しかしながら、上述した揃わせる方法を採用すると、各内部電極の開放端近傍に生じやすい残留応力が、揃わされた開放端群近傍に集中することになる。残留応力が集中した状態の積層コンデンサに半田付け等による熱衝撃が加えられると、この熱衝撃による熱応力と残留応力との合力が発生し、この合力がクラックやデラミネーション（層間はく離）等を生じさせる場合があった。
【０００５】
このクラック等の問題を解決するために開発されたのが、実開昭５５−６２０３１号公報に開示された積層コンデンサ（以下、適宜「従来の積層コンデンサ」という）である。従来の積層コンデンサには、内部電極開放端の角部に熱応力が集中することから、この角部に丸みを形成してその集中を緩和させる方法が講じられている。このように形状が急変する角部に丸みを形成すれば、丸みを形成していない場合に比べて応力が集中する度合いが低いので、それだけクラックやデラミネーションが生じる可能性を低くすることができることになるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内部電極開放端に丸みを形成するだけでは、内部電極の平面方向への応力集中をある程度まで緩和することは可能であるが、図６（従来の積層コンデンサ１０１の縦断面図）に示すように内部電極開放端が積層方向（厚み方向）に揃わされているので積層方向に対する残留応力の緩和には充分ではない。すなわち、図６に示す内部電極１０３，・・１０３の開放端１０５，・・１０５が縦方向に破線で示すように積層方向に整列させられているため、各開放端１０５，・・１０５の近傍に生じた残留応力を破線近傍に集中させてしまうおそれがあった。この残留応力を緩和させない限り、先に述べたクラックやデラミネーションの発生を有効に防ぐことができない。本発明が解決しようとする課題は、積層方向に対する残留応力を緩和することによって、積層コンデンサのクラックやデラミネーションを可及的に防止することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために発明者は、内部電極の開放端を長さ（幅）方向に揃わないように構成することによって、残留応力を緩和させることを考えついた。その詳しい構成と作用効果については、項をあらためて説明する。なお、何れかの請求項において述べる用語の定義等は、その性質上可能な限り他の請求項においても適用されるものとする。
【０００８】
（請求項１に記載した発明の構成）
請求項１に記載した発明に係る積層コンデンサ（以下、「請求項１の積層コンデンサ」という）は、内部電極群と、当該内部電極群間に配された誘電体セラミックと、を含む積層体と、前記内部電極群の端部に導通接続された一対の外部電極と、備えるコンデンサである。同一外部電極に接続された（すなわち、同電位の）内部電極群の一部又は全部は、その長さ及び／又は幅が少なくとも隣接する内部電極間で互いに異なっている。すなわち、少なくとも隣接する内部電極の開放端が長さ（幅）方向に揃わないように構成した、こと、さらに、前記内部電極群の一部又は全部は、前記端部の他に開放端部群を有し、前記開放端部群を構成する各開放端部の一部又は全部が積層方向に屈曲する屈曲部を備えている、ことを特徴とする。内部電極群の「一部又は全部」というのは、内部電極群を構成する全内部電極の一部についてその長さ及び／又は幅を隣接する内部電極間で互いに異ならせてもよいし、全内部電極の全部について上記同様に異ならせてもよい、という意味である。「長さ及び／又は幅」と記載したのは、内部電極の長さだけ異ならせてもよいし、幅だけを異ならせてもよいし、長さと幅の両者を異ならせてもよい、という趣旨である。「少なくとも」と記載したのは、ある内部電極と、この内部電極に隣接する他の内部電極とを比べた場合に、両内部電極の長さ及び／又は幅が異なれば足りる、という趣旨である。内部電極の長さ及び／又は幅を異ならせる方法には、たとえば、印刷等によって表面に内部電極を形成した複数枚のグリーンシートを平面方向（二次元方向）にずらして積層した後に所望の大きさに切断することによって形成する方法や、一端形成した内部電極をトリミング等によって後発的に異ならせる方法がある。
【０００９】
（請求項１に記載した発明の作用効果）
請求項１の積層コンデンサは、内部電極の開放端が揃っていない箇所において残留応力の集中が緩和される、という作用効果を生じる。このため、この残留応力と半田付け作業等に伴い加えられた熱衝撃による熱応力との合力は、残留応力の集中が緩和されていない場合に比べて緩和された分だけ小さくなる。よって、クラックやデラミネーション等が積層コンデンサに生じる可能性が低くなる。屈曲部の働きによってその近傍における電界の回り込み効果（縁端効果）を大きくすることができる、という作用効果を生じる。その結果、屈曲部を有しない場合に比べて静電容量を大きくすることができるので、各内部電極の開放端を揃わなくした結果、発生する静電容量のロスを可及的に補償することができる。なお、屈曲部を設けると、その部分に応力が集中するが、各内部電極の開放端を揃わないようにして応力の集中を緩和しているため、この屈曲部が原因でクラックやデラミネーション等が積層コンデンサに生じることはない。
【００１０】
（請求項２に記載した発明の構成）
請求項２に記載した発明に係る積層コンデンサ（以下、「請求項２の積層コンデンサ」という）は、請求項１の積層コンデンサの構成に限定が加わり、前記内部電極群（すなわち、応力緩和に寄与する内部電極群）は、すべての内部電極群のうち少なくとも半数を占めていることを特徴とする。
【００１１】
（請求項２に記載した発明の作用効果）
請求項２の積層コンデンサは、請求項１の積層コンデンサの作用効果に加え、少なくとも半数の内部電極が応力緩和に寄与するので、残留応力と熱応力との合力を効率よく緩和するので、これによって、クラックやデラミネーション等が積層コンデンサに生じる可能性が半数に満たない場合より低くなる、という作用効果が生じる。応力緩和だけに観点をおけば、内部電極のすべてを不揃いの対象とするのが好ましいことはいうまでもないが、不揃いの対象を増やすことは積層コンデンサの静電容量の減少につながりかねない。そこで、コンデンサ容量の許容誤差範囲を考慮しながら、不揃いの対象とする内部電極の割合を設定するとよい。
【００１２】
（請求項３に記載した発明の構成）
請求項３に記載した発明に係る積層コンデンサ（以下、「請求項３の積層コンデンサ」という）は請求項１又は２の積層コンデンサの構成に限定が加わり、各内部電極を構成する、材料の種類又は材料の構成比率を、少なくとも隣接する内部電極同士で異ならせたことを特徴とする。すなわち、材料を異ならせてもよいし、材料を異ならせずにその構成の割合を異ならせてもよい。「材料」は、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）等の内部電極の構成主体となる金属類、各種のバインダ（接合剤）や溶剤、その他の添加物や混合物等のことをいう。
【００１３】
（請求項３に記載した発明の作用効果）
請求項３の積層コンデンサは、請求項１又は２の積層コンデンサの作用効果に加え、材料の種類又は材料の構成比率を異ならせることによって内部電極間における熱膨張係数を異ならせ、この結果、残留応力の集中が緩和させるとともに、熱衝撃を受けた際の熱応力の集中も緩和させる、という作用効果が生じる。この緩和によって、緩和された分だけ残留応力と熱応力との合力が小さくなり、これによって、クラックやデラミネーション等が積層コンデンサに生じる可能性が低くなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜５を参照しながら、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」という）について説明する。図１は積層コンデンサの分解斜視図を、図２は図１のＸ−Ｘ線を含む断面図を矢印方向に見た図である。図３はグリーンシートを積層する様子を示す斜視図であり、図４は図３のＹ−Ｙ線を含む断面図を矢印方向に見た図である。図５は図４の変形例を示す図である。
【００１５】
（コンデンサの全体構造）
図１に基づいて、積層コンデンサの全体構造について説明する。積層コンデンサ１は、誘電体層３と内部電極５とを交互に積層させて構成した切断積層体７と、切断積層体７の両端部において内部電極５に一層おきに接続された一対の外部電極９ａ，９ｂと、から構成されている。
【００１６】
（積層体の構成）
切断積層体７は、セラミック焼成体からなる誘電体層３に金属ペースト（導電ペースト）を印刷、乾燥させて形成した内部電極５とを交互に積層させ加熱圧着し、その後、焼成により一体化させたものである。本実施形態におけるセラミック焼成体は、セラミック粉末を主成分とするグリーンシートを上記手順で焼成したものが使用されている。内部電極５は、グリーンシートに印刷した金属ペースト（導電性ペースト）を焼成形成した金属薄膜によって構成されている。本実施形態における金属ペーストは、Ａｇ−Ｐｄ粉末やＮｉ（ニッケル）粉末やＣｕ（銅）粉末等を主成分とするものが使用されている。セラミック焼成体と金属ペーストの製造方法は、別項にて説明する。
【００１７】
（内部電極の構成）
内部電極５は、図１にも示すように、ほぼ長方形の形に形成されており、外部電極９ａ,９ｂに接続される端部１３と、端部１１以外の三辺によって構成される開放端１３と、を備えている。開放端１３は、端部１１の反対側に位置する開放端１３と、端部１１と先方開放端１３との間に位置する側方開放端１５，１５と、を備えている。本実施形態における内部電極５は、側方開放端１５，１５間の距離、すなわち、内部電極５の幅は各内部電極ともに同じ寸法に形成されているが、端部１１と先方開放端１３との距離、すなわち、内部電極５の長さは、次に述べるように互いに異なるように形成されている。なお、図には示していないが、従来の技術の欄で説明した従来の積層コンデンサのように、内部電極５の角部に丸みを形成して平面方向への応力集中を緩和するように構成してもよい。
【００１８】
（内部電極の長さ）
図２に基づいて、内部電極５の長さについて説明する。図２に示す積層コンデンサ１については、各内部電極５の長さの違いや厚み等を、理解を容易にするために若干誇張して描いてある。また、説明の都合上、各内部電極を示す符号を５ａ〜５ｃ，５ｐ〜５ｒとして示し、内部電極５ａの先方開放端を１３ａと、内部電極５ｂの先方開放端を１３ｂと、内部電極５ｃの先方開放端を１３ｃと、それぞれを示している。さらに、Ｌａは内部電極５ａの長さを、Ｌｂは内部電極５ｂの長さを、Ｌｃは内部電極５ｃの長さを、それぞれ示している。
【００１９】
図２に示すように、内部電極５ａの長さＬａと内部電極５ｂの長さＬｂと内部電極５ｃの長さＬｃとは、互いに異なるように、すなわち、隣接する内部電極５ａ，５ｂ，５ｃの先方開放端１３ａ，１３ｂ，１３ｃは切断積層体７の積層方向（厚み方向）に揃わないように、換言すると、不揃いになるように形成されている。先方開放端１３ａ，１３ｂ，１３ｃを不揃いになるように形成したのは、揃っていれば集中したであろう各先方開放端１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおける残留応力を分散によって緩和させるためである。
【００２０】
不揃いの程度、すなわち、長さＬａと長さＬｂとの差、長さＬｂと長さＬｃとの差、或いは、長さＬｃと長さＬａとの差の大きさは、積層コンデンサ１に要求される静電容量を満たす範囲内において設定する。つまり、長さＬａと長さＬｂとを、長さＬｃと同じにした方が、本実施形態のように互いに異ならせるより内部電極５ａ，５ｂ，５ｃ全体の静電容量が大きくなるが、異ならせて短くした分だけ静電容量を犠牲にしなければならないことになる。そこで、残留応力の緩和という観点と、静電容量の確保という観点から、両者の均衡を保つために長さを異ならせる内部電極の枚数を定めるようにすることが好ましい。発明者らが行った実験によれば、全部の内部電極のうち少なくとも過半数のものの長さを互いに異ならせることによって好結果を得ている。
【００２１】
ここで、「少なくとも過半数」と記載したのは、たとえば１００枚ある内部電極５のうち５０枚以上（たとえば、６０枚）の長さを互いに異ならせれば足り、この場合に残った４０枚の内部電極５の長さは互いに異ならせてもよいし異ならせなくてもよい、という趣旨である。長さの異ならせ方は、本発明の目的の範囲内であれば何ら制限を受けるものではないが、たとえば、隣接する内部電極５，５間の差を常に均等に設定して図２に示す内部電極５ａ，５ｂ，５ｃのように階段状に異ならせたり、内部電極５ｐ，５ｑ，５ｒのように不規則に異ならせたりすることができる。
【００２２】
異なる長さの内部電極５は、上記例の場合に、たとえば、上中下段の三層に分け、上下段の各々に３０枚ずつ配し、残る中段に同じ長さの内部電極４０枚を配するようにしたり、上下段の二層に分け、上段又は下段の何れかに異なる長さの内部電極５を６０枚全部配するようにしたり、数枚ごとに異なる長さの内部電極５と同じ長さの内部電極５とを互い違いに配するようにしたりすることができる。なお、長さを異ならせる場合には、図２に示す内部電極５ａ，５ｂ，５ｃのように、少なくとも隣接するもの同士の長さＬａ，Ｌｂ，Ｌｃが異なれば足り、たとえば、隣接しない他の内部電極（図示を省略）が長さＬｂと同じ長さを有することになったとしてもそのことを排除する趣旨ではない。
【００２３】
他方、図５に示すように、その開放端部群１１Ｐ１，１１Ｐ２，１１Ｐ３．．を屈曲させて屈曲部群を形成するようにしてもよい。屈曲部を形成すると、その屈曲部群における電界（電気力線）の縁端効果（ｅｄｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）によって静電容量を稼ぐことができるので、これによって内部電極５の長さを短くした結果生じる静電容量の減少を可及的に補償できるからである。屈曲部群を形成する方法の説明は、後述する積層コンデンサの製造方法の説明の欄において行う。
【００２４】
（外部電極の構成）
外部電極９ａ，９ｂは、切断積層体７の両端部において内部電極５に一層おきに接続するように金属ペーストを塗布し、その後に焼付け形成したものである。金属ペーストは、内部電極５と同様にＡｇ−Ｐｄ粉末或いはＮｉ、Ｃｕ粉末を主成分とするものが使用されている。外部電極９ａ，９ｂは、その表面に半田メッキを施しておくことが好ましい。半田メッキによって、外部電極９ａ，９ｂの半田ぬれ性がよくなり、溶融した半田がなじみやすくなるからである。半田ぬれ性の向上は半田付けの迅速性につながり、これによって熱衝撃による熱応力集中の抑制に貢献することができる。外部電極９ａは内部電極５ａ，５ｂ，５ｃに、外部電極９ｂは内部電極５ｐ，５ｑ，５ｒに、それぞれ導通接続されている。
【００２５】
（積層コンデンサの製造方法）
図３及び４を参照しながら、積層コンデンサ１の製造方法について説明する。まず、誘電体層の原料粉末に有機バインダーを１５重量％添加し、さらに水を５０重量％加え、これらをボールミルに入れて十分に混合させてスラリー（泥奨）を製造する。次に、このスラリーをドクターブレード法によりポリエステルフィルム等のキャリアフィルム上に所定の厚み（十μｍ〜数百μｍ程度）に延ばし、乾燥させてセラミック誘電体のグリーンシートを製造する。こうして製造したグリーンシートを後述するように焼成したものが、誘電体層３を構成する。以下の説明においては、誘電体層３の代わりに、必要に応じてグリーンシート３と記載する。
【００２６】
一方、内部電極５に使用する導電性ペーストは、導電性のある微粒子を、高濃度で均一になるように混合して製造する。本実施形態の導電性ペーストは、均粒径が１．５μｍ程度のパラジウム粉末１０ｇと、プチルカルビトール３．１ｇにセルロース０．９ｇを溶解させたものとを攪拌器に入れ、約１０時間攪拌することによって製造する。導電性ペーストをグリーンシートの片面上にスクリーン印刷して乾燥させると、内部電極５が形成される（第１工程）。
【００２７】
（グリーンシートの積層）
次に、導電性ペーストを印刷した面（以下、「印刷面」という）を上にしてグリーンシート３を、複数枚積層する。積層する様子を、図３及び４を参照しながら説明する。なお、積層するグリーンシート３，…３の上下関係を説明しやすくするために、図３及び４において、積層するグリーンシート（誘電体層）を３ｇ１〜３ｇｎにて、内部電極を５ｐ１〜５ｐｎ（５ｐｎは図示を省略）にて、さらに、内部電極５ｐ１〜５ｐｎの開放端を１３ｐ１〜１３ｐｎにて、それぞれ示している。
【００２８】
各グリーンシート３ｇ１，・・３ｇｎの積層は、隣接するグリーンシートを長さ方向に僅かにずらして行う。すなわち、図３に示す３枚のグリーンシート３ｇ１〜３ｇ３について説明すると、グリーンシート３ｇ３の上に位置するグリーンシート３ｇ２を、グリーンシート３ｇ３より長さ方向左側に僅かにずらして積層し、さらに、グリーンシート３ｇ２より上に位置するグリーンシート３ｇ１をグリーンシート３ｇ２より長さ方向左側に僅かにずらして積層する。この積層作業は、少なくとも積層する全グリーンシートの過半数になるまで行う。最後に、この積層物の上下面に内部電極の印刷されていないグリーンシートを積層して積層作業を完了する（第２工程）。
【００２９】
積層作業の完了したグリーンシートを、図４に示すように一点鎖線を含むように格子状に切断すると、複数の切断積層体７が形成される（第３工程）。ここで、切断積層体７を構成する内部電極に着目すると、最上段の内部電極５ｐ１の長さが一番短く、次いで、内部電極５ｐ２、内部電極５ｐ３の順で長くなっており、このため、先方開放端１３ｐ１，１３ｐ２，１３ｐ３は、積層方向に不揃いの位置関係になっている。これは、グリーンシートを長さ方向にずらして積層した結果であり、これによって各先方開放端近傍に生じる残留応力が分散されるようになっている。
【００３０】
次に、切断積層体７を焼成する。切断積層体７を雰囲気焼成できる炉に入れ、待機中で６００℃程度まで加熱して有機バインダーを除去する。その後、炉の雰囲気を大気中の雰囲気とし、切断積層体７の加熱温度を６００℃から焼成温度の１１５０℃に上昇させ、この状態を３時間続ける。次いで、１時間に１００℃の割合で６００℃まで温度を下げ、その後は室温まで自然冷却させる。これで、切断積層体７の焼成を完了する（第４工程）。なお、この焼成を完了した積層体を、焼成前の切断積層体７と区別するために、以下、焼結積層体７と呼ぶことにする。
【００３１】
次に、外部電極９ａ，９ｂの形成を行う。切断積層体７の側面には、切断によって内部電極が露出しているので、この側面に銀とガラスフリットとビヒクルからなる導電性ペーストを塗布して乾燥させ、これを大気中で８００℃の温度で１５分間焼き付けて銀電極層を形成する（第５工程）。さらに、この銀電極層の表面に銅を無電解メッキで施し、さらに、半田ぬれ性をよくするために半田メッキを施しておく。これで、一対の外部電極９ａ，９ｂを備える積層コンデンサ１が完成する。
【００３２】
なお、前述した積層コンデンサの製造方法の第１工程において、スラリーの中に適量の凝集剤を加えてからグリーンシートを製造すると、グリーンシートの表面に凹凸が形成され、この凹凸によって、図５に示す内部電極５ｐ１〜５ｐ５の開放端１３ｐ１〜１３ｐ５に屈曲部が形成される。これは、凝集剤がセラミック粒子や有機バインダーなどの粒子の表面に吸着し、粒子の凝集を起こさせるからであり、開放端１３ｐ１〜１３ｐ５に屈曲部が形成されるのは、この凹凸の影響によるものである。
【００３３】
（本実施形態の変形例）
上述したように、本実施形態の積層コンデンサは、隣接する内部電極５の長さを互いに異ならせることによって残留応力を分散緩和するものである。この内部電極５の長さに代え、又は、内部電極５の長さとともに、隣接する内部電極５の幅（側方開放端１５，１５間の距離）を互いに異ならせるように構成してもよい。前者における残留応力の分散緩和は、側方開放端１５，１５の不揃いによって実現され、後者における残留応力の分散緩和は、側方開放端１５，１５及び先方開放端１３の不揃いによって実現される。
【００３４】
さらに、内部電極５を構成する材料の種類又は材料の構成比率を、少なくとも隣接する内部電極同士で異ならせ、これによる熱膨張係数の相違を利用して残留応力を分散緩和させることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
各請求項に記載した発明によれば、積層方向に対する残留応力を緩和することによって、積層コンデンサのクラックやデラミネーションを可及的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 積層セラミックコンデンサの分解斜視図である。
【図２】 図１のＸ−Ｘ線を含む断面図を矢印方向に見た図である。
【図３】 グリーンシートを積層する様子を示す斜視図である。
【図４】 図３のＹ−Ｙ線を含む断面図を矢印方向に見た図である。
【図５】 図４の変形例を示す図である。
【図６】 従来の積層セラミックコンデンサの縦断面図である。
【符号の説明】
１ 積層セラミックコンデンサ
３ 誘電体層（グリーンシート）
５ 内部電極
７ 積層体
９ 外部電極
１１ 端部
１２ 開放端
１３ 先方開放端
１３ｐ 屈曲部
１５ 側方開放端

Claims (3)

1. 内部電極群と、当該内部電極群間に配された誘電体セラミック群と、を含む積層体と、
   前記内部電極群の端部に導通接続された一対の外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサにおいて、
   同一外部電極に接続された内部電極群の一部又は全部は、その長さ及び／又は幅が少なくとも隣接する内部電極間で互いに異なり、
   前記内部電極群の一部又は全部は、前記端部の他に開放端部群を有し、前記開放端部群を構成する各開放端部の一部又は全部が積層方向に屈曲する屈曲部を備えている、
   ことを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
2. 前記内部電極群は、すべての内部電極群のうち少なくとも半数を占めている、
   ことを特徴とする請求項１に記載した積層セラミックコンデンサ。
3. 前記各内部電極を構成する、材料の種類又は材料の構成比率が、少なくとも隣接する内部電極間で互いに異なっている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載した積層セラミックコンデンサ。

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