JP4215143B2 - セラミック積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックコンデンサ、高周波フィルタ、圧電素子などの電子部品に用いられるセラミック積層体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品の小型、軽量、高機能化の要求に応えるため、セラミックコンデンサや高周波フィルタなどの電子部品は、グリーンシート積層工法によって製造されている。
【０００３】
一般的なグリーンシート積層工法は、セラミック粉体とバインダ樹脂を溶剤で混合したスラリーから成形したセラミックグリーンシート（以下、「グリーンシート」と記す。）を積み重ね、グリーンシート同士を完全に接着させるために上下方向から加圧するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、加圧時に同じ圧力を積層シートに対して作用させても、グリーンシートの密度や厚みに変動があると、焼成後の積層体の外形寸法は安定しなくなる。なぜならば焼成体の外形寸法Ｘは、（数１）のようにシートの密度ρ0、厚みｔ0および加圧後の積層体厚みｔpに依存するからである。
【０００５】
【数１】
【０００６】
ここで、ｘ0は焼成前の積層体の外形寸法、ｗはグリーンシートに含まれるセラミック粉体の重量分率、Ｎは積層するグリーンシートの枚数、Ｃzは焼成による積層体の平面方向と厚み方向の収縮率の比、ρsは焼結体の密度である。これらｘ0，ｗ，Ｎ，Ｃz，ρsはデバイスの設計上、あるいは材料固有の定数であるので、それらをまとめると（数２）のように書き直せる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
ρ0t0はグリーンシートの単位面積当たりの重量に相当し、一定面積のグリーンシートを切り出して、その重量を測定することによって実測することができる。
【０００９】
（数２）によれば、グリーンシートの密度、厚みと加圧後の積層体厚みを均一にすれば、焼結体の外形寸法を安定させることができるはずであるが、グリーンシートの密度、厚みを均一にするためには、セラミック粉体合成工程やグリーンシート成形工程において極めて厳密な工程管理が必要となり容易ではない。一方積層体の外形寸法が安定しないと、製品歩留まりの低下の原因になるという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の問題を解決するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することのできるセラミック積層体の製造方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【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は、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体の縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上下に配置した平板の間に設けた厚さ設定用部材の厚みを調整するセラミック積層体の製造方法である。
【００１２】
この方法によれば、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、複数枚のセラミックグリーンシートを積み重ねた後、上下に配置した板により挟み込んで加圧するもので、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体の縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上下に配置した平板の間に設けた厚さ設定用部材の厚みを調整するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単に焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の厚さ設定用部材をセラミックグリーンシートを囲むように配置するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を、セラミックグリーンシートの上あるいは下に配置した凹板の深さを調整することによって変化させるもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の凹板をセラミックグリーンシートを囲むような形状であるもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１７】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
セラミック粉末には、フォルステライトとホウケイ酸バリウムガラスを混合したガラスセラミック複合材を用いた。この材料は焼結性に優れ、８５０℃〜９００℃の低温で容易に焼成する。このガラスセラミック粉末を、１０重量％のポリビニルブチラール系バインダ、５重量％の可塑剤（ジブチルフタレート）、および７０重量％の溶剤（酢酸ブチル）とともに、直径１０ｍｍのジルコニアボールで５０時間以上混合してスラリーを作製し、公知のドクターブレード法により厚み約４０μｍに成膜し、セラミックグリーンシートを得る。このセラミックグリーンシートを１０ｃｍ角に２５枚切断し、積み重ね被積層体とした。この被積層体の重量を電子天秤を用いて測定した。
【００１９】
一方、図１に示すように１５ｃｍ×１５ｃｍ、厚さ３ｃｍのステンレス製の板を上板１、下板２として用意し、さらに大きさが１５ｃｍ×２ｃｍ、任意の厚さを有するステンレス製の厚さ設定用部材４を２枚準備し、被積層体３を上板１と下板２の間に挟み、その両側に厚さ設定用部材４を配置する。これらの金型および被積層体を油圧プレス機に設置し７００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で１分間加圧する。この積層体を一辺１０．０ｍｍ角の格子状にカッターで切断し、積層体の厚みをマイクロメーターを用いて測定する。その後、大気中で６００℃で２時間処理することにより樹脂成分を焼却し、９００℃まで昇温して３０分間保持することにより焼成する。焼成した積層体の外形寸法をマイクロメーターを用いて測定する。
【００２０】
ガラスセラミック材料の粉砕ロット、シート成形ロットの異なる３種類のセラミックグリーンシートを用いて被積層体を作製し、厚み０．７７０ｍｍから０．８１０ｍｍで１０μｍステップの厚さを有する５種類の設定用部材４を用いてプレスし、焼成した。（表１）はグリーンシートの重量、加圧後の積層体厚みを測定した結果、（表２）は焼成体の外形寸法を測定した結果を示したものである。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
また、図２は加圧後の積層体厚みと焼成体の外形寸法との関係を、グリーンシートと重量別にプロットしたものである。
【００２４】
加圧後の積層体厚みは、厚さ設定用部材の厚みとほぼ同じ厚みになっている。またグリーンシートの重量が変化すると、加圧後の積層体厚みが等しくても、焼成後の外形寸法は異なっている。グラフから積層体厚みと外形寸法の近似曲線（Ｙ＝ＡＸn）を求めると、いずれのグリーンシート重量の場合でも乗数ｎは約−０．３３であり、これは（数２）に示した理論式と一致する。
【００２５】
以上の関係を利用すると、例えば焼結体の外形寸法を８．１ｍｍに調整しようとすると、シート重量が１４．８４ｇのシートの場合は、０．７７０ｍｍの厚み設定用部材を用いれば良く、またシート重量１５．６６ｇのシートでは、０．８１０ｍｍの厚み設定用部材を用いれば良い。すなわち被積層体の単位面積当たりの重量を測定し、図２から所望の焼結体の外形寸法となる積層体の厚みを読みとり、その厚みに最も近い厚さ設定用部材を選択してプレスすれば、簡単かつ精度良く焼結後の積層体の外形寸法を調整することができる。また図２の関係は、同じ材料であれば理論的には変化がないので、材料毎に予め実験で求めておけばよい。
【００２６】
以上の例では、積層体の厚みを変化させるために図１のような厚さ設定用部材４を使用したが、変位計などを設置して上板１と下板２の間隔を測定することにより積層体の厚みを変化させてもよい。ただし厚さ設定用部材を用いると、圧力を作用させたときの上板１、下板２のたわみが吸収され、積層体の厚みバラツキを低減できるので、結果として焼成体の外形寸法を精度良く調整することができる。
【００２７】
また、図３のように厚さ設定用部材４を被積層体３の周囲を囲うように配置すると、さらに上板１、下板２のたわみが吸収され、積層体の厚みバラツキを低減できるので、極めて高精度に焼成体の外形寸法を調整することができる。
【００２８】
また、厚さ設定用部材の厚みが薄くなると歪みが発生するなど加工が難しくなるが、図４、図５のように、下板２の代わりに任意の深さの凹状に加工した下板６または７を準備し、被積層体を凹状下板の凹部分に配置することにより、同様の効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図２】 同加圧後の積層体厚みと焼成体の外形寸法の関係を示す図
【図３】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図４】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図５】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【符号の説明】
１ 上板
２ 下板
３ 被積層体
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックコンデンサ、高周波フィルタ、圧電素子などの電子部品に用いられるセラミック積層体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品の小型、軽量、高機能化の要求に応えるため、セラミックコンデンサや高周波フィルタなどの電子部品は、グリーンシート積層工法によって製造されている。
【０００３】
一般的なグリーンシート積層工法は、セラミック粉体とバインダ樹脂を溶剤で混合したスラリーから成形したセラミックグリーンシート（以下、「グリーンシート」と記す。）を積み重ね、グリーンシート同士を完全に接着させるために上下方向から加圧するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、加圧時に同じ圧力を積層シートに対して作用させても、グリーンシートの密度や厚みに変動があると、焼成後の積層体の外形寸法は安定しなくなる。なぜならば焼成体の外形寸法Ｘは、（数１）のようにシートの密度ρ0、厚みｔ0および加圧後の積層体厚みｔpに依存するからである。
【０００５】
【数１】
ここで、ｘ0は焼成前の積層体の外形寸法、ｗはグリーンシートに含まれるセラミック粉体の重量分率、Ｎは積層するグリーンシートの枚数、Ｃzは焼成による積層体の平面方向と厚み方向の収縮率の比、ρsは焼結体の密度である。これらｘ0，ｗ，Ｎ，Ｃz，ρsはデバイスの設計上、あるいは材料固有の定数であるので、それらをまとめると（数２）のように書き直せる。
【０００７】
【数２】
ρ0t0はグリーンシートの単位面積当たりの重量に相当し、一定面積のグリーンシートを切り出して、その重量を測定することによって実測することができる。
【０００９】
（数２）によれば、グリーンシートの密度、厚みと加圧後の積層体厚みを均一にすれば、焼結体の外形寸法を安定させることができるはずであるが、グリーンシートの密度、厚みを均一にするためには、セラミック粉体合成工程やグリーンシート成形工程において極めて厳密な工程管理が必要となり容易ではない。一方積層体の外形寸法が安定しないと、製品歩留まりの低下の原因になるという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の問題を解決するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することのできるセラミック積層体の製造方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【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は、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体の縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上下に配置した平板の間に設けた厚さ設定用部材の厚みを調整するセラミック積層体の製造方法である。
【００１２】
この方法によれば、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、複数枚のセラミックグリーンシートを積み重ねた後、上下に配置した板により挟み込んで加圧するもので、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体の縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上下に配置した平板の間に設けた厚さ設定用部材の厚みを調整するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単に焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の厚さ設定用部材をセラミックグリーンシートを囲むように配置するもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を、セラミックグリーンシートの上あるいは下に配置した凹板の深さを調整することによって変化させるもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の凹板をセラミックグリーンシートを囲むような形状であるもので、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、極めて簡単に、かつ非常に高い精度で焼結後の積層体の外形寸法を調整することができるという作用を有する。
【００１７】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
セラミック粉末には、フォルステライトとホウケイ酸バリウムガラスを混合したガラスセラミック複合材を用いた。この材料は焼結性に優れ、８５０℃〜９００℃の低温で容易に焼成する。このガラスセラミック粉末を、１０重量％のポリビニルブチラール系バインダ、５重量％の可塑剤（ジブチルフタレート）、および７０重量％の溶剤（酢酸ブチル）とともに、直径１０ｍｍのジルコニアボールで５０時間以上混合してスラリーを作製し、公知のドクターブレード法により厚み約４０μｍに成膜し、セラミックグリーンシートを得る。このセラミックグリーンシートを１０ｃｍ角に２５枚切断し、積み重ね被積層体とした。この被積層体の重量を電子天秤を用いて測定した。
【００１９】
一方、図１に示すように１５ｃｍ×１５ｃｍ、厚さ３ｃｍのステンレス製の板を上板１、下板２として用意し、さらに大きさが１５ｃｍ×２ｃｍ、任意の厚さを有するステンレス製の厚さ設定用部材４を２枚準備し、被積層体３を上板１と下板２の間に挟み、その両側に厚さ設定用部材４を配置する。これらの金型および被積層体を油圧プレス機に設置し７００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で１分間加圧する。この積層体を一辺１０．０ｍｍ角の格子状にカッターで切断し、積層体の厚みをマイクロメーターを用いて測定する。その後、大気中で６００℃で２時間処理することにより樹脂成分を焼却し、９００℃まで昇温して３０分間保持することにより焼成する。焼成した積層体の外形寸法をマイクロメーターを用いて測定する。
【００２０】
ガラスセラミック材料の粉砕ロット、シート成形ロットの異なる３種類のセラミックグリーンシートを用いて被積層体を作製し、厚み０．７７０ｍｍから０．８１０ｍｍで１０μｍステップの厚さを有する５種類の設定用部材４を用いてプレスし、焼成した。（表１）はグリーンシートの重量、加圧後の積層体厚みを測定した結果、（表２）は焼成体の外形寸法を測定した結果を示したものである。
【００２１】
【表１】
【表２】
また、図２は加圧後の積層体厚みと焼成体の外形寸法との関係を、グリーンシートと重量別にプロットしたものである。
【００２４】
加圧後の積層体厚みは、厚さ設定用部材の厚みとほぼ同じ厚みになっている。またグリーンシートの重量が変化すると、加圧後の積層体厚みが等しくても、焼成後の外形寸法は異なっている。グラフから積層体厚みと外形寸法の近似曲線（Ｙ＝ＡＸn）を求めると、いずれのグリーンシート重量の場合でも乗数ｎは約−０．３３であり、これは（数２）に示した理論式と一致する。
【００２５】
以上の関係を利用すると、例えば焼結体の外形寸法を８．１ｍｍに調整しようとすると、シート重量が１４．８４ｇのシートの場合は、０．７７０ｍｍの厚み設定用部材を用いれば良く、またシート重量１５．６６ｇのシートでは、０．８１０ｍｍの厚み設定用部材を用いれば良い。すなわち被積層体の単位面積当たりの重量を測定し、図２から所望の焼結体の外形寸法となる積層体の厚みを読みとり、その厚みに最も近い厚さ設定用部材を選択してプレスすれば、簡単かつ精度良く焼結後の積層体の外形寸法を調整することができる。また図２の関係は、同じ材料であれば理論的には変化がないので、材料毎に予め実験で求めておけばよい。
【００２６】
以上の例では、積層体の厚みを変化させるために図１のような厚さ設定用部材４を使用したが、変位計などを設置して上板１と下板２の間隔を測定することにより積層体の厚みを変化させてもよい。ただし厚さ設定用部材を用いると、圧力を作用させたときの上板１、下板２のたわみが吸収され、積層体の厚みバラツキを低減できるので、結果として焼成体の外形寸法を精度良く調整することができる。
【００２７】
また、図３のように厚さ設定用部材４を被積層体３の周囲を囲うように配置すると、さらに上板１、下板２のたわみが吸収され、積層体の厚みバラツキを低減できるので、極めて高精度に焼成体の外形寸法を調整することができる。
【００２８】
また、厚さ設定用部材の厚みが薄くなると歪みが発生するなど加工が難しくなるが、図４、図５のように、下板２の代わりに任意の深さの凹状に加工した下板６または７を準備し、被積層体を凹状下板の凹部分に配置することにより、同様の効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、グリーンシートの密度や厚みが変動しても、簡単な方法によって、焼結後の積層体の外形寸法を精度良く調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図２】 同加圧後の積層体厚みと焼成体の外形寸法の関係を示す図
【図３】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図４】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【図５】 本発明の他の実施の形態におけるセラミック積層体の加圧方法を説明する斜視図
【符号の説明】
１ 上板
２ 下板
３ 被積層体
Claims (4)
- 複数枚のセラミックグリーンシートを積み重ねた後、上下に配置した板により挟み込んで加圧するもので、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体との縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上下に配置した平板の間に設けた厚さ設定用部材の厚みを調整するセラミック積層体の製造方法。
- 厚さ設定用部材を、セラミックグリーンシートを囲むように配置する請求項１に記載のセラミック積層体の製造方法。
- 複数枚のセラミックグリーンシートを積み重ねた後、上下に配置した板により挟み込んで加圧するもので、加圧後のセラミック積層体の厚み寸法と、焼結後のセラミック積層体との縦横の外形寸法およびセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の関係をあらかじめ検定しておき、この検定結果とセラミックグリーンシートの単位面積当たりの重量の実測値に基づいて、焼結後のセラミック積層体の外形寸法を調整するために加圧後のセラミック積層体の厚み寸法を決定するにあたり、セラミックグリーンシートの上あるいは下に配置した凹板の深さを調整するセラミック積層体の製造方法。
- 凹板は、セラミックグリーンシートを囲むような形状である請求項３に記載のセラミック積層体の製造方法。
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| JP2000073814A JP4215143B2 (ja) | 2000-03-16 | 2000-03-16 | セラミック積層体の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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2000
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