JP3901196B2 - 積層セラミック電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、積層セラミック電子部品、詳しくは、積層された複数のセラミック層の間に内部電極が配設された積層セラミック電子部品に関する。

従来、代表的な積層セラミック電子部品の一つである積層セラミックコンデンサは、図３に示す断面構造を有している。この積層セラミックコンデンサ２０は、複数のセラミック層２１からなるセラミック積層体２０ａ内に、セラミック層２１を間にして互いに対向する内部電極２２が配設されている。セラミック積層体２０ａの両端部にはそれぞれ外部電極２３，２３が形成されており、これら外部電極２３，２３には内部電極２２が交互に引き出されて電気的に接続されている。

前記積層セラミックコンデンサ２０は、小型で大きな容量を得ることができ、種々の用途に広く用いられている。そして、さらに小型・大容量化を図るために、内部電極２２の間に介在するセラミック層２１の厚みを小さくしたり、内部電極２２の積層枚数を増やしたりする（即ち、薄層・多層化する）ための研究、開発が行われている。

しかし、薄層・多層化が進むと、焼結の際のセラミック積層体２０ａの収縮歪みにより、内部電極２２とセラミック層２１との界面で剥離が生じてセラミック層２１にクラックが発生し、目標とする特性を確保することができなくなる問題点が生じている。このような問題点は、図３に示す構造を有する積層セラミックコンデンサ２０に限らず、セラミック積層体中にセラミック層を介して互いに対向するように内部電極が配設された構造を有する積層タイプのバリスタ、サーミスタ、圧電素子、多層基板などにも当てはまる。

積層セラミック電子部品におけるこのような問題点を解消するため、特許文献１には、クラックがセラミック層２１の積層方向中央部分（セラミック積層体の中心部分）に近づくほど多く発生することに着目し、セラミック層２１の積層方向中央部に近づくほど内部電極２２の連続性と呼ばれる数値が低くなるように内部電極２２の材料を調整することにより、セラミック層２１の積層方向中央部分に発生する収縮応力を抑制することが開示されている。

前述のように、積層セラミックコンデンサの製造の際に、焼結時の収縮歪みにより積層体に発生するクラックは、特許文献１に開示されている発明により抑えることができる。しかしながら、製品として完成した積層セラミックコンデンサに関しては、内部電極の材料とセラミック層の材料が異なるので両者の熱膨張係数が異なり、リフロー半田による回路基板への実装工程などにおいて、熱的なストレス（熱衝撃）が積層セラミックコンデンサに加わると、熱膨張係数の相違に基づく応力がセラミック積層体に発生し、クラックが生じる。

このようなクラックは、図３のＳ−Ｓ線に沿う断面を示す図４において、最上部付近に位置する内部電極２２の短辺方向両端部分２４，２４及び最下部付近に位置する内部電極２２の短辺方向両端部分２４，２４に多く発生する。
特開平１１−３１６３３号公報

そこで、本発明の目的は、実装工程などにおいて加わる熱衝撃により発生するセラミック積層体のクラック不良を解消でき、信頼性の高い積層セラミック電子部品を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る積層セラミック電子部品は、
積層された複数のセラミック層の間に内部電極が配設された積層セラミック電子部品において、
前記内部電極の一方向断面における長さＸと該断面内の空孔により形成されるギャップの総和Ｙとに基づいて内部電極の連続性を（Ｘ−Ｙ）／Ｘで定義する場合、
積層方向の最上部に位置する内部電極と積層方向の最下部に位置する内部電極との間の距離のそれぞれ上下から１０％の範囲内に位置する内部電極の連続性の平均値が、それ以外の内部電極の連続性の平均値よりも５〜２０％低く設定されていること、
を特徴とする。

本発明に係る積層セラミック電子部品においては、積層体内で最上部とその近傍に位置する内部電極及び最下部とその近傍に位置する内部電極の前記連続性の平均値が、積層体内の中央部分に位置する内部電極の前記連続性の平均値よりも低く設定されている。即ち、積層体内で最上部とその近傍に位置する内部電極及び最下部とその近傍に位置する内部電極の電極材料密度が低くなっている。それゆえ、熱衝撃が加えられて積層体（セラミック層及び内部電極）が熱膨張したときに、内部電極の電極材料密度の低い部分が変形しやすく、セラミック層に加わるストレスが緩和される。これにより、積層体の最上部とその近傍に位置する内部電極及び最下部とその近傍に位置する内部電極に発生する応力、特にこれらの内部電極の短辺方向の両端部分に発生する応力が小さくなり、熱衝撃が加わってもこの部分にクラックが発生するのが防止される。

なお、最上部に位置する内部電極及び最下部に位置する内部電極との間の距離のそれぞれ上下から１０％の範囲内に位置する内部電極の前記連続性の平均値と、それ以外の内部電極の前記連続性の平均値との差が５％未満のときは、熱衝撃が加わったときに積層体にクラックが発生するようになり、２０％を超えると所要の電気特性を得ることができなくなる。

本発明に係る積層セラミック電子部品は、コスト面から内部電極にニッケル又はニッケル合金を用いることが好ましい。

また、セラミック層はその厚みが１０μｍ以下でその積層枚数が１００枚以上であることが好ましい。セラミック層はその厚さが薄くなるほど、熱衝撃が加えられたときの内部電極とセラミック層の膨張率の差から生じる応力の影響が大きくなり、積層体にクラックが発生しやすくなる傾向がある。この傾向はセラミック層の厚みが１０μｍ以下になると著しくなる。しかし、このような場合にも、内部電極の前記連続性を制御することにより、積層体にクラックが発生するのを防止することができる。また、セラミック層はその積層枚数が１００枚以上となると、熱衝撃が加えられたときの内部電極とセラミック層の膨張率の差から生じる応力の影響が大きくなり、積層体にクラックが発生しやすくなる傾向がある。この傾向はセラミック層の積層枚数が１００枚以上になると著しくなる。しかし、このような場合にも、内部電極の前記連続性を制御することにより、積層体にクラックが発生するのを防止することができる。

本発明によれば、積層体内で最上部とその近傍に位置する内部電極及び最下部とその近傍に位置する内部電極の電極材料密度が低くなっているので、熱衝撃が加えられて積層体が熱膨張したときに、積層体の最上部とその近傍に位置する内部電極及び最下部とその近傍に位置する内部電極に発生する応力、特にそれらの内部電極の短辺方向の両端部分に発生する応力が小さくなり、これら部位にクラックが発生するのを防止することができ、従って、耐熱衝撃性を有し、実装後も所望の性能を確実に発揮することができる信頼性の高い積層セラミック電子部品を得ることができる。

以下、本発明に係る積層セラミック電子部品の実施例について添付図面を参照して説明する。

（第１実施例）
本発明の第１実施例である積層セラミック電子部品は積層セラミックコンデンサであって、その縦断面構造を図１に示す。この積層セラミックコンデンサ１０は、セラミック層１１からなるセラミック積層体１０ａ内に、セラミック層１１を間にして互いに対向する、例えば、Ｎｉ又はＮｉ合金からなる内部電極１２，１２を配設したものである。

セラミック積層体１０ａの両端部には、それぞれ外部電極１３，１３が形成されており、これら外部電極１３，１３には内部電極１２が交互に引き出されて電気的に接続されている。

セラミック層１１は、いずれも、誘電体セラミック材料をドクターブレード法や引き上げ法などの手法で成形したセラミックグリーンシートからなり、該シートの表面に形成された内部電極１２とともに積層及び圧着されて焼成され、積層体１０ａとされている。

内部電極１２は、図２（ａ）に示すような矩形形状をなし、前記セラミックグリーンシート上に導電ペーストを印刷して形成されている。内部電極１２は金属粒子が連続して一様にセラミック層１１の上に分布することにより形成されているものではなく、微視的に見たときには多数の空孔が分布している。そこで、内部電極１２の連続性と呼ばれる数値を次のように定義する。

即ち、内部電極１２の連続性は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、内部電極１２の長辺方向の中央に沿うＴ−Ｔ線断面における長さＸと該断面内に内部電極１２が有する空孔により形成されるギャップｇの総和Ｙとにより，（Ｘ−Ｙ）／Ｘで定義する。このように定義された連続性の値は、内部電極１２を形成する導電ペースト中の金属（例えば、Ｎｉ又はＮｉ合金）の固形分比や内部電極１２の厚み、金属粒径を変化させることにより制御することができる。

本第１実施例では、前記連続性を内部電極１２を形成する導電ペースト中の金属含有量に基づいて制御している。そして、本第１実施例では、最上部に位置する内部電極１２と最下部に位置する内部電極１２との間の距離ｄのそれぞれ上下から１０％の範囲ｆにそれぞれ位置する内部電極１２の前記連続性の平均値が、それ以外の（積層方向の中央部分に位置する）内部電極１２の前記連続性の平均値に比較して、５〜２０％低く設定している。この数値は、次のような熱衝撃試験の結果に基づくものである。

即ち、熱衝撃試験に用いた積層セラミックコンデンサの試料１〜７の共通仕様として、セラミック積層体１０ａの寸法、セラミック層１１の厚み、内部電極１２の積層枚数、静電容量、セラミック積層体１０ａの積層方向中央部分に位置する内部電極１２の金属コンテント（固形分比）及びその連続性の平均値の各数値を、それぞれ次のような値とした。

セラミック積層体の寸法：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍ
セラミック層の厚み ：３．０μｍ
セラミック層の積層枚数：１８０枚
内部電極厚み ：０．６８μｍ
内部電極の金属粒径 ：０．２μｍ
静電容量 ：１μＦ（目標値）
積層方向中央部分の内部電極の金属コンテント：４８％
積層方向中央部分の内部電極の連続性の平均値：７０％

そして、前記共通仕様を有し、前記距離ｄの１０％の範囲ｆにそれぞれ位置している内部電極１２の前記連続性の平均値が、７０．０％（試料１）、６７．９％（試料２）、６６．５％（試料３）、６３．０％（試料４）、６０．０％（試料５）、５６．０％（試料６）、５２．５％（試料７）の試料１〜７をそれぞれ５０個製作した。これら試料１〜７のそれぞれについて、３２５℃の半田槽に試料を２秒間浸漬し、その後、５０倍の顕微鏡にてクラック発生の有無を確認する熱衝撃試験を実施した。その結果を次の表１に示す。

前記表１において、試料番号に※を付した試料１，２，７は本第１実施例に対する比較例である。また、前記表１において、試料１〜７のそれぞれの静電容量は、各試料５０個についての平均値である。

前記表１から分かるように、前記距離ｄの１０％の範囲ｆにそれぞれ位置している内部電極１２の前記連続性の平均値が６６．５％で、積層方向中央部分に位置する内部電極１２の前記連続性との差が５％の試料３では、熱衝撃試験におけるクラック発生個数はゼロであった。

また、内部電極１２の連続性の平均値が６３．０％で連続性差が１０％の試料４、内部電極１２の連続性の平均値が６０．０％で連続性差が１４％の試料５、内部電極１２の連続性の平均値が５６．０％で連続性差が２０％の試料６も、熱衝撃試験におけるクラック発生個数はゼロであった。

これに対し、内部電極１２の連続性の平均値が７０．０％で連続性差が０％の試料１では、試料５０個中、５個にクラックが発生した。また、内部電極１２の平均値が６７．９％で連続性差が３％の試料２では、試料５０個中、２個にクラックが発生した。さらに、内部電極１２の連続性の平均値が５２．５％で連続性差が２５％の試料７では、クラックが発生したものはなかったが、所要の静電容量を得ることができなかった。

前記熱衝撃試験の結果から、図１に示した構造を有する積層セラミックコンデンサにおいて、積層体の最上部に位置する内部電極１２と最下部に位置する内部電極１２との間の距離ｄの１０％の範囲ｆ内にそれぞれ位置する内部電極１２の前記連続性の平均値が、それ以外の内部電極１２の前記連続性の平均値に比較して、５〜２０％低くなるようにした積層セラミックコンデンサでは、実装時などに熱衝撃が加わっても、積層体にクラックが発生することを解消することができた。

（第２実施例）
本第２実施例では、図１に示した構造を有する積層セラミックコンデンサ１０において、内部電極１２の前記連続性を、内部電極１２の厚みを変化させることにより制御している。そして、本第２実施例にあっても、前記第１実施例と同様に、最上部に位置する内部電極１２と最下部に位置する内部電極１２との間の距離ｄのそれぞれ上下から１０％の範囲ｆにそれぞれ位置している内部電極１２の厚みを変化させて、前記連続性の平均値が積層方向の中央部分に位置する内部電極１２の前記連続性の平均値に比較して、５〜２０％低くなるように設定している。

本第２実施例についても、次のような共通仕様を有するとともに、第１実施例と同様の内部電極１２の連続性を有する試料１〜７を試作し、第１実施例と同様の熱衝撃試験を実施した。その結果を表２に示す。
セラミック積層体の寸法：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍ
セラミック層の厚み ：３．０μｍ
セラミック層の積層枚数：１８０枚
内部電極の金属粒径 ：０．２μｍ
静電容量 ：１μＦ（目標値）
積層方向中央部分の内部電極の厚み：０．６８μｍ
積層方向中央部分の内部電極の連続性の平均値：７０％

前記表２の熱衝撃試験の結果からも明らかなように、本第２実施例である積層セラミックコンデンサも、前記第１実施例と同様の結果を得ることができた。

（第３実施例）
本第３実施例では、図１に示した構造を有する積層セラミックコンデンサ１０において、内部電極１２の連続性を、内部電極１２を構成する金属（Ｎｉ又はＮｉ合金）の金属粒径を変化させることにより制御している。そして、本第３実施例にあっても、前記第１実施例と同様に、最上部に位置する内部電極１２と最下部に位置する内部電極１２との間の距離ｄの上下からそれぞれ１０％の範囲ｆにそれぞれ位置している内部電極１２の金属粒径を変化させて、その連続性の平均値が積層方向中央部分に位置する内部電極１２の前記連続性の平均値に比較して、５〜２０％低くなるように設定している。

本第３実施例についても、次のような共通仕様を有するとともに、第１実施例と同様の内部電極１２の連続性を有する試料１〜７を試作し、第１実施例と同様の熱衝撃試験を実施した。その結果を表３に示す。
セラミック積層体の寸法：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍ
セラミック層の厚み ：３．０μｍ
セラミック層の積層枚数：１８０枚
内部電極の厚み ：０．６８μｍ
静電容量 ：１μＦ（目標値）
積層方向中央部分の内部電極の金属粒径：０．２μｍ
積層方向中央部分の内部電極の連続性の平均値：７０％

前記表３の熱衝撃試験の結果からも明らかなように、本第３実施例である積層セラミックコンデンサも、第１実施例と同様の結果を得ることができた。

（他の実施例）
なお、本発明に係る積層セラミック電子部品は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、前記各実施例では、積層セラミックコンデンサを例にとって説明したが、本発明は積層バリスタ、サーミスタ、圧電素子、多層基板などにも適用することができる。また、積層セラミック電子部品の寸法、目標とする静電容量値、セラミック層の材料や組成、内部電極の構成材料などに関しては、種々応用、変形を加えることができる。

本発明が適用される積層セラミックコンデンサの縦断面図である。 内部電極の連続性の定義を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＴ−Ｔ線に沿って存在するギャップを示す断面図である。 従来の積層セラミックコンデンサの縦断面図である。 図３のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。

符号の説明

１０…積層セラミックコンデンサ
１０ａ…セラミック積層体
１１…セラミック層
１２…内部電極
１３…外部電極
ｇ…ギャップ
Ｘ…内部電極の長辺方向における長さ
Ｙ…Ｔ−Ｔ線に沿って分布するギャップの総和

Claims (3)

1. 積層された複数のセラミック層の間に内部電極が配設された積層セラミック電子部品において、
   前記内部電極の一方向断面における長さＸと該断面内の空孔により形成されるギャップの総和Ｙとに基づいて内部電極の連続性を（Ｘ−Ｙ）／Ｘで定義する場合、
   積層方向の最上部に位置する内部電極と積層方向の最下部に位置する内部電極との間の距離のそれぞれ上下から１０％の範囲内に位置する内部電極の連続性の平均値が、それ以外の内部電極の連続性の平均値よりも５〜２０％低く設定されていること、
   を特徴とする積層セラミック電子部品。
2. 前記内部電極がニッケル又はニッケル合金からなることを特徴とする請求項１に記載の積層セラミック電子部品。
3. 前記セラミック層の厚みが１０μｍ以下でその積層枚数が１００枚以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層セラミック電子部品。
   

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