JP3804539B2 - セラミック電子部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック電子部品に関するもので、特にセラミック素体と、2層構造を備える端子電極と、リード端子と、ハンダと、から構成されるセラミック電子部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種のセラミック電子部品を図2に示して詳細に説明する。すなわち、セラミック電子部品11は、誘電体,絶縁体,半導体,圧電体,磁性体材料等から主になるセラミック素体12と、セラミック素体12の両主面上に形成された端子電極13,13と、ハンダ14,14によって端子電極13,13にそれぞれ接合されたリード端子15,15と、セラミック素体12と端子電極13,13とハンダ14,14とリード端子15,15の一部を覆うように形成された外装樹脂16とから構成される。
【0003】
端子電極13,13は、例えばAg,Pd等の貴金属ならびにその合金、あるいはNi,Cu等の卑金属ならびにその合金を導電成分とする、スパッタや蒸着による薄膜,厚膜ならびにメッキ膜によって形成されている。ハンダ14,14は、Sn/Pbを主成分とする合金が一般に使用されている。リード端子15,15は、例えばCu,Fe等を芯材としてSn−PbやSnメッキによってコーティングされたものが用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術によれば、高温下に長時間曝された場合に、Ag,Cu,Ni等を主成分とする端子電極の導電成分と、ハンダに含まれるSnとの相互拡散により、端子電極とハンダとの接合界面ならびに端子電極とセラミック素体との界面に金属間化合物が生成される、この金属間化合物は硬くて脆い性質を有するため、端子電極全体が金属間化合物に変化した場合、接合信頼性が低下し、セラミック素体と端子電極との間で剥離が生じ、電気的特性の劣化を招く問題があった。
【0005】
また、Sn/Pbハンダを用いた場合、Snの拡散により金属間化合物とハンダとの界面にはPbリッチ相が生成される。この柔らかいPbリッチ相と硬くて脆い金属間化合物層が接する構造になると、応力が加わった際に端子電極等にクラックが発生し、接合信頼性の低下を招く問題があった。
【0006】
本発明の目的は、上述の問題点を解消すべくなされたもので、高温下に長時間曝されても、安定した電気的特性を確保でき、かつセラミックと端子電極とリード端子との十分な接合強度を有するセラミック電子部品を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体と、セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより端子電極に接合されたリード端子と、を備え、端子電極は、セラミック素体上に形成された第1層電極と、第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、第2層電極は、Znと、Cuと、Snとからなる導電成分を含有し、第2層電極に含有するZnは、導電成分100重量%のうち4.1重量%以上18.4重量%以下であることを特徴とする。
【0009】
また、本発明のセラミック電子部品は、上述した本発明のセラミック電子部品であって、第1層電極または/および第2層電極の内部に、第2層電極を構成するZnが流動し濃化してなるバリア層が形成されていることが好ましい。
【0010】
また、本発明のセラミック電子部品は、上述したバリア層が形成されている本発明のセラミック電子部品であって、バリア層は、第1層電極の内部にあって、セラミック素体との界面から2μmの範囲内に形成されていることを特徴とする。
【0011】
また、本発明のセラミック電子部品は、上述した本発明のセラミック電子部品であって、第1層電極は、薄膜または厚膜からなり、少なくともAgまたは/およびCuを含む導電成分を含有することが好ましい。
【0012】
また、本発明のセラミック電子部品は、上述した本発明のセラミック電子部品であって、リード端子は、不可避不純物を除いてPbを含有しない合金またはPb以外の金属によってコーティングがなされており、上述したハンダは、不可避不純物を除いてPbを含有しないことが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体と、前記セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより端子電極に接合されたリード端子と、を備え、端子電極は、セラミック素体上に形成された第1層電極と、第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、セラミック素体は単板からなり、前記第1層電極は、Agからなる導電成分を含有し、第2層電極は、Znと、Agと、Snとからなる導電成分を含有し、第2層電極に含有するZnは、導電成分100重量%のうち4.1重量%以上18.4重量%以下であることを特徴とする
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体上に形成された第1層電極と、第1層電極上に形成された第2層電極とからなる、2層の端子電極を備える。また、第2層電極は少なくともZnと、Agまたは/およびCuと、Snと、を含む導電成分を含有してなる点に特徴がある。
【0014】
この第2層電極中のZnは、第2層電極が形成された後のセラミック電子部品に熱エージングがかけられると、第2層電極内の第1層電極との界面近傍にまず濃化してバリア層を形成し、このバリア層は熱エージング量とともに第1層電極中へと流動し、やがてセラミック素体と第1層電極との界面近傍まで達する。このバリア層は、第2層電極上に形成されるハンダに含まれるSnと、第1層電極中の母材金属との相互拡散を抑制するため、第2層電極とハンダとの界面、ならびにセラミック素体と第1層電極との界面における金属間化合物の生成が抑制され、端子電極とハンダとの剥離、ならびにセラミック素体と端子電極との剥離が抑制される。なお、バリア層は、第2層電極ならび第1層電極の内部の同一平面の全域に形成されている必要はなく、該平面において略膜状に形成されて、上述したように第1層電極中の母材金属との相互拡散を抑制する効果が得られる程度であればよい。
【0015】
また、第2層電極に含有するZnは、第2層電極を構成する導電成分100重量%のうち4重量%以上であり、かつAgZnまたは/およびCuZnの金属間化合物を生成しない固溶限内であることを要する。Znの構成割合が4重量%以上であれば、第2層電極あるいは第1層電極の内部にバリア層が形成され、ハンダ中のSnと第1層電極中の母材金属との相互拡散が抑制され、すなわち第2層電極とハンダとの界面、ならびにセラミック素体と第1層電極との界面における金属間化合物の生成が抑制されるため、セラミック素体,端子電極ならびにハンダ相互間の接合信頼性が向上する。他方、Znの構成割合がハンセンの2元状態図にて示されているβ,γ,ε相等のAgZnまたは/およびCuZnの脆い金属間化合物を生成しない固溶限以下であれば、第2層電極とハンダとの界面、ならびにセラミック素体と第1層電極との界面における金属間化合物の生成が抑制されているため、セラミック素体,端子電極ならびにハンダ相互間の接合信頼性が保たれる。また、一般にZnは卑な金属であるため、電解腐食し、端子電極の機械的強度を低下させる傾向があるが、Znの構成割合が上記範囲内であれば、このような問題は生じない。
【0016】
なお、特に上述したバリア層は、第1層電極の内部にあって、セラミック素体との界面から2μmの範囲内に形成されていることが好ましい。第2層電極中において濃化したZnは、上述したように、熱エージング量とともに第1層電極中へと流動し、やがてセラミック素体と第1層電極との界面近傍まで達するが、セラミック素体の内部には拡散しにくい。したがって、Znの濃化により形成されるバリア層の位置が第1層電極の内部にあって、セラミック素体との界面近傍にあるほど、熱エージング量とともに流動してくるZnが蓄積される。この時、セラミック素体との界面から2μmの範囲内に形成されるバリア層が最も一様な厚みを備え、好ましい。
【0017】
また、リード端子は、不可避不純物を除いてPbを含有しない合金またはPb以外の金属によってコーティングがなされており、ハンダも、不可避不純物を除いてPbを含有しないことが好ましい。リード端子ならびにハンダ中にPbが含まれていなければ、ハンダ中のSnが拡散してもPbリッチ相が生成されにくくいため、端子電極に応力が加えられてもクラックが発生しにくく、接合信頼性が高まる。
【0018】
次に、本発明のセラミック電子部品の一つの実施の形態について、図1および図2に基づいて詳細に説明する。すなわち、セラミック電子部品1は、セラミック素体2と、端子電極3,3と、ハンダ4,4と、リード端子5,5と、外装樹脂6とから構成される。また、端子電極3,3は、さらに第1層電極3a,3aと、第2層電極3b,3bとからなる。
【0019】
セラミック素体2は、セラミックグリーンシートを焼成した円板型の焼結体からなる。第1層電極3a,3aは、セラミック素体2の両主面上に形成された一対の電極膜からなる。第2層電極3b,3bは、第1層電極上に形成されている。
ハンダ4,4は、第2層電極3b,3bとリード端子5,5を接合するように端子電極3,3上に形成されている。外装樹脂6は、セラミック素体2と端子電極3,3とハンダ4,4とリード端子5,5の一部を覆うように形成されている。
【0020】
セラミック素体2は、例えば誘電体,絶縁体,半導体,圧電体および磁性体として機能する材料よりなる群から適宜用いることができる。なお、図1に示したセラミック素体2の形状は円板型であるが、セラミック素体2の形状は特に円板型に限定されることなく、端子電極3,3を形成するのに十分な面を備えるのであれば、例えば角板型等を適宜用いることができる。
【0021】
第1層電極3a,3aは、セラミック素体2の両主面上に形成された、例えばAgまたは/およびCuを含む導電成分を含有する電極膜であり、スパッタ,蒸着ならびに電解・無電解メッキで形成された薄膜、あるいは導電性ペーストを印刷した厚膜からなる。なお、第1層電極3a,3aの形状ならびに大きさは、本発明の実施の形態に限定されることなく、例えば、セラミック素体2の両主面の全体に形成、あるいは任意の形状のギャップ幅を取って形成することができ、何れの場合においても本発明の効果が得られる。また、第1層電極3a,3aの層数は、本発明の実施の形態(1層)に限定されることなく、例えば、複数層からなる第1層電極を形成しても構わない。
【0022】
第2層電極3b,3bは、少なくともZnと、Agまたは/およびCuと、Snと、を含む導電成分を含有し、第1層電極上にスパッタや溶融メッキ等の薄膜により形成されている。なお、第2層電極3b,3bの形状ならびに大きさは、本発明の実施の形態に限定されることなく、例えば、第1層電極3a,3aの両主面の全体に形成、あるいは任意の形状のギャップ幅を取って形成することができ、何れの場合においても本発明の効果が得られる。また、第2層電極3b,3bの層数は、本発明の実施の形態(1層)に限定されることなく、例えば、複数層からなる第2層電極を形成しても構わない。
【0023】
ハンダ4,4は、一般的なSn基ハンダを用いることができるが、環境負荷物であるPbを含まない(不可避不純物を除く)ことが好ましく、例えばSn−Ag系,Sn−Cu系,Sn−Ag−Cu系ならびにSn−Sb系等の代表的なものを適宜用いることができる。また、ハンダ4,4の形状ならびに大きさは、本発明の実施の形態に限定されることなく、例えば、第2層電極3b,3bの全体に形成、あるいは第2層電極3b,3b上の任意の一部分であってもよく、何れの場合であっても構わない。また、ハンダ付け方法は、例えば浸漬法やリフロー加熱による方法が挙げられるが、何れの方法によっても本発明の効果は同様に得られる。
【0024】
リード端子5,5は、公知のリード端子全般を適宜用いることができるが、環境負荷物であるPbを含まない(不可避不純物を除く)ことが好ましく、例えば、Cu,Fe,Ni,Au等からなる金属線を芯材として、必要に応じて金属線の表面にSn,Cu,Pd,Au,Sn−Cu,Sn−Ag,Sn−Ag−Cu等のメッキを施したリード端子等を適宜用いることができる。なお、第2層電極3b,3bに接合されるリード端子5の数は、本発明の実施の形態に限定されることなく、1つの第2層電極3bに2本以上のリード端子5を接合しても構わない。
【0025】
外装樹脂6は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂等が挙げられるが、特にこれらに限定されることなく、絶縁性,耐湿性,耐衝撃性,耐熱性等に優れるものであれば代表的な樹脂を適宜用いることができる。なお、外装樹脂6は、本発明の実施の形態に限定されることなく、必ずしも備えている必要はなく、また何層形成されていても構わない。
【0026】
【実施例】
本発明のセラミック電子部品の実施例として、セラミックコンデンサを作製する。まず、コンデンサとして機能する、8mmφのチタン酸バリウムを主成分とするセラミック素体を複数個準備し、各々のセラミック素体の両主面全体に、厚み約5μm,1mmギャップ(6mmφ),表1に示す組成ならびに膜構造、すなわちAg厚膜,Cu厚膜,モネル/Cuスパッタ,無電解Cuメッキからなる一対の第1層電極を形成した。
【0027】
次いで、上述した一対の第1層電極の両面全体に、第1層電極の組成に応じて、Sn−Ag−Zn溶融メッキ,Sn−Cu−Zn溶融メッキ,Sn−Ag溶融メッキ,Sn−Cu溶融メッキをそれぞれ施し、厚み約2μmの第2層電極を形成した。なお、第2層電極を構成する導電成分100重量%におけるZnの含有率は、表1に示した通りである。また、Znの含有率は、エネルギー分散型マイクロX線アナライザ(EDX)により定量した含有量に基づいて算出した。
【0028】
次いで、Cuを芯材としてSnメッキが施されたリード端子と、表1に示した組成からなるハンダを準備し、上述した一対の第2層電極上に、各ハンダの液相温度+30℃でリード端子をハンダ付けし、実施例1〜15ならびに比較例1〜9のセラミックコンデンサを得た。
【0029】
【表1】
【0030】
そこで、実施例1〜15ならびに比較例1〜9のセラミックコンデンサについて、第2層電極中のAgZnまたは/およびCuZn金属間化合物の有無、およびZnが濃化したバリア層の有無を断面観察し、これを表2にまとめた。また、全試料10個ずつについて、初期のリード端子の接合強度を測定し、大気中125℃の高温下で2000時間放置した後、再びリード端子の接合強度を測定し、その平均値を求め、さらに接合強度低下率を算出し、これらを表2にまとめた。
【0031】
なお、Znが濃化したバリア層の有無は、波長分散型マイクロX線アナライザ(WDX)により断面のZn分布状態を面分析して確認した。
【0032】
また、リード端子の接合強度は、各試料の一対のリード端子を離間する方向に引張り、リード端子が端子電極から剥離、あるいは端子電極がセラミック素体から剥離した時点での最大強度を測定した。また、接合強度低下率は、高温放置後の測定結果と初期の測定結果との差を、高温放置後の測定結果で除した割合とした。
【0033】
【表2】
【0034】
表2から明らかであるように、第2層電極中のZnの含有量が4重量%以上であり、かつAgZnまたは/およびCuZnの金属間化合物を生成しない固溶限内である、すなわち第2層電極中にAgZnまたは/およびCuZn金属間化合物が生成していない実施例1〜15のセラミックコンデンサは、初期の接合強度が23.5〜42.2Nで何れも十分な強度を有し、さらに高温放置後の接合強度低下率も−12〜−20%であり、第1層電極の材質ならびに膜構造、ハンダの種類に関わりなく、何れも優れる結果となった。
【0035】
また、第1層電極または/および第2層電極の内部に、Znが流動して濃化してなるバリア層が生成している実施例1〜15のセラミックコンデンサは、初期の接合強度が23.5〜42.2Nで何れも十分な強度を有し、さらに高温放置後の接合強度低下率も−12〜−20%であり、第1層電極の材質ならびに膜構造、ハンダの種類に関わりなく、何れも優れる結果となった。
【0036】
これに対して、Znを含有しないSn−AgまたはSn−Cu溶融メッキによって第2層電極を形成した比較例1,2,5のセラミックコンデンサは、接合強度低下率が−80〜−87%できわめて高く劣った。
【0037】
また、第2層電極がZnを含有するが、その含有量が導電成分100重量%のうち4重量%を下回る比較例3,6〜8のセラミックコンデンサは、接合強度低下率が−51〜−62%で高く劣った。
【0038】
また、第2層電極がZnを含有するが、その含有量がAgZnまたは/およびCuZnの金属間化合物を生成しない固溶限内を超える、すなわちAgZnまたは/およびCuZn金属間化合物が生成した比較例4,9のセラミックコンデンサは、接合強度低下率が−42〜−53%で高く劣った。
【0039】
次に、実施例1〜6ならびに比較例1〜3のセラミックコンデンサのセラミック素体,端子電極,リード端子の一端およびハンダを被覆するように、エポキシ樹脂により外装塗装を施して、試料1〜6ならびに比較例1〜3の外装塗装済みセラミックコンデンサを作製した。
【0040】
そこで、試料1〜6ならびに比較例1〜3の外装塗装済みセラミックコンデンサを、125℃の環境下に2000時間放置した後、AC電圧3kVp−pを印加し、その際の発熱温度(Δ℃)を測定した。なお、発熱温度(Δ℃)は、製品の温度と測定雰囲気の温度(125℃)との温度差とした。
【0041】
【表3】
【0042】
表3から明らかであるように、実施例1〜6の外装塗装済みセラミックコンデンサは、発熱温度が17.2〜17.6℃であり、低温で優れた。
【0043】
これに対して、比較例1〜3の外装塗装済みセラミックコンデンサは、発熱温度が28.2〜32.7℃であり、上述した実施例1〜6と比較して、10℃前後高温で劣った。これは、高温放置により、ハンダと端子電極との接合界面では、SnとAgの相互拡散反応が促進されるため、そのような部位に高電圧を印加すると、セラミック素体と端子電極とが電気的接合が取れないことに起因する異常発熱が生じたためである。また、さらに長時間高温下で曝されると、SnとAgの相互拡散反応がさらに促進されるため、電子部品として満足できる製品特性が得られない。
【0044】
【発明の効果】
以上のように本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体と、セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより端子電極に接合されたリード端子と、を備え、端子電極は、セラミック素体上に形成された第1層電極と、第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、第2層電極は、少なくともZnと、Agまたは/およびCuと、Snと、を含む導電成分を含有し、第2層電極に含有するZnは、導電成分100重量%のうち4重量%以上であり、かつAgZnまたは/およびCuZnの金属間化合物を生成しない固溶限内であることを特徴とすることで、高温下に長時間曝されても、安定した電気的特性を確保でき、かつセラミックと端子電極とリード端子との十分な接合強度を有するという効果が得られる。
【0045】
また、セラミック素体と、セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより端子電極に接合されたリード端子と、を備え、端子電極は、セラミック素体上に形成された第1層電極と、第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、第1層電極または/および第2層電極の内部に、第2層電極を構成するZnが流動し濃化してなるバリア層が形成されていることを特徴とすることで、ハンダ中のSnと第1層電極中の母材金属との相互拡散が抑制され、高温下に長時間曝されても、安定した電気的特性を確保でき、かつセラミックと端子電極とリード端子との十分な接合強度を有するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る一つの実施の形態のセラミック電子部品の断面図であって、(a)は一部断面図であり、(b)は図1(a)の断面c1−c1における縦断面図である。
【図2】従来セラミック電子部品の断面図であって、(a)は一部断面図であり、(b)は図2(a)の断面c2−c2における縦断面図である。
【符号の説明】
1 セラミック電子部品
2 セラミック素体
3 端子電極
3a 第1層電極
3b 第2層電極
4 ハンダ
5 リード端子
Claims (9)
- セラミック素体と、前記セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより前記端子電極に接合されたリード端子と、を備えるセラミック電子部品であって、
前記端子電極は、前記セラミック素体上に形成された第1層電極と、前記第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、
前記第2層電極は、Znと、Cuと、Snとからなる導電成分を含有し、
前記第2層電極に含有するZnは、前記導電成分100重量%のうち4.1重量%以上18.4重量%以下であることを特徴とする、セラミック電子部品。 - 前記第1層電極または/および前記第2層電極の内部に、前記第2層電極を構成するZnが流動し濃化してなるバリア層が形成されていることを特徴とする、請求項1記載のセラミック電子部品。
- 前記バリア層は、前記第1層電極の内部にあって、前記セラミック素体との界面から2μmの範囲内に形成されていることを特徴とする、請求項2に記載のセラミック電子部品。
- 前記第1層電極は、薄膜または厚膜からなり、少なくともAgまたは/およびCuを含む導電成分を含有することを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載のセラミック電子部品。
- 前記リード端子は、不可避不純物を除いてPbを含有しない合金またはPb以外の金属によってコーティングがなされており、
前記ハンダは、不可避不純物を除いてPbを含有しないことを特徴とする、請求項1〜4の何れかに記載のセラミック電子部品。 - セラミック素体と、前記セラミック素体上に形成された端子電極と、Snを含有するハンダにより前記端子電極に接合されたリード端子と、を備えるセラミック電子部品であって、
前記端子電極は、前記セラミック素体上に形成された第1層電極と、前記第1層電極上に形成された第2層電極と、からなり、
前記セラミック素体は単板からなり、
前記第1層電極は、Agからなる導電成分を含有し、
前記第2層電極は、Znと、Agと、Snとからなる導電成分を含有し、
前記第2層電極に含有するZnは、前記導電成分100重量%のうち4.1重量%以上18.4重量%以下であることを特徴とする、セラミック電子部品。 - 前記第1層電極または/および前記第2層電極の内部に、前記第2層電極を構成するZnが流動し濃化してなるバリア層が形成されていることを特徴とする、請求項6記載のセラミック電子部品。
- 前記バリア層は、前記第1層電極の内部にあって、前記セラミック素体との界面から2μmの範囲内に形成されていることを特徴とする、請求項7に記載のセラミック電子部品。
- 前記リード端子は、不可避不純物を除いてPbを含有しない合金またはPb以外の金属によってコーティングがなされており、
前記ハンダは、不可避不純物を除いてPbを含有しないことを特徴とする、請求項6〜8の何れかに記載のセラミック電子部品。
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