JP4239534B2 - 絶縁性ガラスセラミックおよびこれを用いた積層電子部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性ガラスセラミック、およびこれを用いた積層インダクタ、トランス、LCフィルタ等の積層電子部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型化に伴い、電子回路を構成する各種の電子部品を実装する目的でセラミック基板が汎用されている。近年では、実装密度をさらに高めるため、セラミック基板中にコンデンサ、インダクタなどの回路素子、あるいは回路を内蔵した多層セラミック基板が開発されている。このような多層セラミック基板の材料としてはアルミナが採用されているが、焼結温度が1500〜1600℃と高温であるため、焼成のために多くのエネルギーを必要とする。また、アルミナと同時に焼成する内部導体材料もタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いなければならないため、内部回路等の抵抗が大きくなり、電流容量などが制限されるという問題があった。
【0003】
そこで、低温で焼結する基板用材料として、特開平4−16551号公報に記載のSiO2を主成分とする低温焼結セラミック組成物が提案されている。この低温焼結セラミック組成物は、低温で焼成でき、最適焼成温度範囲が広く、しかも絶縁抵抗が高く誘電率が低いという特徴を有している。これらの特徴により、磁器の歩留まりが高くなり、多層セラミック基板の量産実用化に大きく寄与するものである。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−16551号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平4−16551号公報に記載の低温焼結セラミック組成物は、焼成温度が940〜1000℃であるため、内部導体としてAgを用いることができない。Agと同時焼成するためには、セラミック組成物の焼成温度が900℃以下であることが必要なためである。よって、本セラミック組成物は内部導体にCuを用いているが、Cuは酸化されやすいため、還元性雰囲気で焼成しなければならないという問題があった。
【0006】
本発明は、900℃以下の低温で焼結し内部導体にAgが使用できるとともに、誘電率が低く、十分な機械的強度を有するセラミック組成物、およびこれを用いた積層電子部品を得ることを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の絶縁性ガラスセラミックは、ホウケイ酸ガラスと、主成分として少なくともBaO、Al2O3、SiO2を含有するセラミック成分と、Al2O3より形成され、前記ホウケイ酸ガラスの含有量をX重量%、前記セラミック成分の含有量をY重量%、前記Al2O3の含有量をZ重量%としたとき、X+Y+Z=100であるとともに、点(X、Y、Z)が、三成分組成図における以下の組成点A、B、C、D;A(X:94、Y:0、Z:6)、B(X:97、Y:0、Z:3)、C(X:73、Y:27、Z:0)、D(X:60、Y:40、Z:0)を結ぶ四角形ABCDの辺および内部の領域(ただし辺CD上を除く)にあることを特徴とする。すなわち、前記3成分の構成比は、図1の斜線部領域(Al2O3が0重量%となる線分CDを除く)で表わされる。
【0008】
このような構成にすることにより、前記絶縁性ガラスセラミックは大気中900℃以下の低温で焼成可能となる。また、誘電率が低く、機械的強度が高いという特徴を有する。
【0009】
また、本発明の積層電子部品は、前記の絶縁性ガラスセラミックと、前記絶縁性ガラスセラミックの内部に形成された内部導体と、前記絶縁性ガラスセラミックの外表面に形成され前記内部導体と電気的に接続される外部電極からなる。
【0010】
このような構成にすることにより、前記積層電子部品は低温で焼結可能となり、内部導体にAgあるいはAg比率の高い合金を用いることができる。また、誘電率が低く、自己共振周波数が高いため、高周波領域で利用可能であるとともに、機械的強度が高いという特徴を有する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0012】
図2は、本発明に係る積層電子部品の一実施の形態としての積層インダクタの断面図である。この積層インダクタは、セラミック素体1とその両端部に形成された外部電極2a、2bよりなる。
【0013】
セラミック素体1は多数のセラミック層1a〜1lが積層されたものである。具体的には、セラミック素体1は、所定導体パターンの内部導体5a〜5gが表面に形成された内部セラミック層1d〜1jと、該内部セラミック層1d〜1jを挟持する前記内部導体の形成されていない外装セラミック層1a〜1c、1k、1lとを備える。内部導体5aは外部電極2aと電気的に接続され、内部導体5gは外部電極2bと電気的に接続されている。そして、各内部導体5a〜5gはビアホール(図2では不図示)を介して互いに電気的に直列接続され、コイル5を形成している。
【0014】
各セラミック層1a〜1lは、SiO2とB2O3を主成分としたホウケイ酸ガラスと、BaO、Al2O3及びSiO2を主成分としたセラミック成分と、Al2O3を含有している。
【0015】
次に、上記の積層インダクタの製造方法を図3を参照しながら説明する。
【0016】
まず、BaCO3:35.0wt%〜39.0wt%、Al2O3:4.0wt%〜5.0wt%、Cr2O3:0.5wt%〜1.5wt%、CaCO3:0.5wt%〜1.1wt%、B2O3:2.0wt%〜3.0wt、残部:SiO2%となるように、素原料を混合して湿式粉砕した後、乾燥・仮焼を行い、仮焼粉末を作製する。なお、仮焼により、BaCO3、CaCO3はCO2ガスが脱離し、それぞれBaO、CaO成分となる。次いで、B2O3:17.0wt%〜21.0wt%、K2O:1.0wt%〜3.0wt%、残部:SiO2に調製されたホウケイ酸ガラス粉末を作製する。
【0017】
前記仮焼粉末、前記ガラス粉末、およびAl2O3粉末を混合し、水または有機溶剤、及びバインダーと混練してスラリーを作製する。該スラリーをドクターブレード法でキャリアフィルム状に転写し、セラミックグリーンシート1a〜1lを得る。ここで、セラミックグリーンシートは他の方法、例えばスクリーン印刷法等により作製してもよい。
【0018】
なお、グリーンシートのピンホールによる内部導体間のショート防止、焼結体の密度向上、抗折強度向上のため、各出発原料粉末の平均粒径は小さいことが好ましい。具体的には、ホウケイ酸ガラスの粒径は0.5〜3.5μmであることが好ましい。また、セラミック成分の粒径は1〜4μmであることが好ましい。また、Al2O3の粒径は1〜5μmであることが好ましい。
【0019】
そして、AgあるいはAg−Pd等のAg合金に有機ビヒクルを混合させた所定粘度の導電性ペーストを作製し、図3に示すように、内部導体15a〜15fの所定箇所にビアホール16を形成し、内部導体15a〜15gをセラミックグリーンシート11d〜11jの表面にスクリーン印刷する。
【0020】
なお、セラミックグリーンシートの表面へ内部導体パターンを形成する方法としては、上述のスクリーン印刷の他、塗布、蒸着、スパッタリング等の方法により形成してもよい。
【0021】
次いで、セラミックグリーンシート11d〜11jを外装シート11a〜11c、11k〜11lで挟持し、圧着して積層体を作製する。なお、該積層体の内部ではビアホール16を介して内部導体15a〜15gが電気的に直列接続され、コイルを形成する。
【0022】
そして、空気とN2との混合ガス中、500℃にて該積層体の脱バインダ処理を行い、次いで、大気中、850℃〜900℃で所定時間焼成処理を施し、セラミック素体1を作製する。
【0023】
次に、Ag粉末に有機ビヒクルを混合させた導電性ペーストをセラミック素体1の両端部に塗布した後、所定温度で焼付処理を施し、図2に示すように外部電極2a、2bを形成する。
【0024】
なお、外部電極材料としては、上記のAgの他、Ag−Pd、Ni、Cu等の金属、あるいはそれらの合金等であってもよい。また、外部電極の形成方法は、印刷、蒸着、スパッタリング等であっても良く、焼成前の積層体の端面に外部電極を形成し、同時焼成してもかまわない。
【0025】
その後、外部電極2a、2bの形成されたセラミック素体1に必要に応じて第1のめっき皮膜3a、3bを形成する。例えば、セラミック素体1をニッケルめっき液等の第1のめっき液に浸漬し、電解めっき処理を施す。さらに、必要に応じて第2のめっき皮膜4a、4bを形成する。例えば、スズめっき液やはんだめっき液等の第2のめっき液に浸漬し、電解めっき処理を施す。これにより積層インダクタが製造される。
【0026】
このようにして製造された積層インダクタは、高自己共振周波数かつ高Qの特性を有しており、高周波領域で利用できるものである。
【0027】
以上、積層インダクタを例に取り本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明の積層電子部品の実施の形態は上述の積層インダクタに限定されるものではない。上述した積層インダクタ以外の積層インダクタの他、トランス、LCフィルタ等、インダクタ部を有する積層電子部品にも適用することができる。
【0028】
【実施例】
(1)実施例1
出発原料として、平均粒径2μmのホウケイ酸ガラスの粉末と、平均粒径3.5のBaO−Al2O3−SiO2系セラミック成分の粉末と、平均粒径3μmのAl2O3粉末を準備した。ホウケイ酸ガラス粉末の組成は、SiO2:80.3wt%、B2O3:18.2wt%、K2O:1.5%とした。また、BaO−Al2O3−SiO2系セラミック成分の組成は、SiO2:53.5wt%、BaCO3:37.4wt%、Al2O3:4.6wt%、Cr2O3:1.0wt%、CaCO3:0.7wt%、B2O3:2.8wt%とした。
【0029】
上記の各粉末を表1に示す重量比にて秤量し、これに水およびバインダー等の有機ビヒクルを加えて混練し、スラリーとした。このスラリーをドクターブレード法にてキャリアフィルム上に転写し、セラミックグリーンシートを作製した。該グリーンシートを積層、圧着し、厚さ1.5mmの積層体とした後、切断機で縦30mm、横30mmの板状に切り離し成形体を得た。該成形体を空気とN2の混合ガス中に投入し、500℃で脱バインダーを行った後、空気中にて770℃〜1010℃で90分間焼成し焼結体試料を得た。
【0030】
該焼結体試料について、インピーダンスアナライザーで誘電率を測定した。周波数100MHz、温度25℃とした。
【0031】
また、強度計を用い、該焼結体試料の3点曲げ抗折強度を測定した。抗折強度の算出方法はJIS規格R1601を用いた。
【0032】
これらの測定結果、および最適焼成温度を表1に示す。ここで最適焼成温度とは、成形体がバインダー等の蒸発や焼結によって収縮する際の収縮率が最大となる温度である。なお、表中の*印は本発明の請求範囲外であることを示す。
【0033】
以下、ホウケイ酸ガラス、BaO−Al2O3−SiO2系セラミック成分、およびAl2O3の構成比を図1の斜線部のように限定した理由を説明する。
【0034】
BaO−Al2O3−SiO2系セラミック成分あるいはAl2O3の減少、またはホウケイ酸ガラスの増加により、本発明の組成範囲を外れた場合、すなわち図1の斜線部より右側の領域に外れた場合、抗折強度が800kg/cm3を下回り、このガラスセラミック組成により作製した積層電子部品の機械的強度が顕著に低下するため、好ましくない。
【0035】
一方、BaO−Al2O3−SiO2系セラミック成分あるいはAl2O3の増加、またはホウケイ酸ガラスの減少により、本発明の組成範囲を外れた場合、すなわち図1の斜線部より左側の領域に外れた場合、最適焼成温度が900℃を越えるため、内部導体にAgを使用することができない。また、誘電率が増加するため、このガラスセラミック組成により作製した積層電子部品の高周波での特性が低下する。
【0036】
【表1】
【0037】
(2)実施例2
表1に記載した試料のうち、最適焼成温度が900℃以下でAgとの同時焼成が可能な組成について、積層インダクタを作製した。内部導体用ペーストはAgペーストを使用した。また、焼成温度は各組成の最適焼成温度とした。
【0038】
積層インダクタの形状は図2に示すとおりである。ただし、コイル巻き数は17.5ターンとした。また、積層インダクタのサイズは縦1mm×横0.5mm×高さ0.5mmとした。
【0039】
作製した積層インダクタについて、ネットワーク・アナライザー(ヒューレット・パッカード社製HP−8720D)を用いて自己共振周波数(SRF)を測定した。
【0040】
また、該積層インダクタの側面中央部に棒状物の先端で応力を加えたときの破壊荷重を強度試験機で測定した。
【0041】
これらの結果を表2に示す。なお、表中の*印は本発明の請求範囲外であることを示す。
【0042】
表2に示すように、本発明の請求範囲内の組成の積層インダクタは、請求範囲外の組成の積層インダクタに比べて機械的強度が高く、また自己共振周波数が高く、いずれも十分な特性を有している。なお、自己共振周波数は誘電率の1/2乗に反比例し、誘電率が低いほど自己共振周波数が高くなる傾向がある。
【0043】
上記の結果から、本実施例の積層インダクタは機械的強度が高く、また低誘電率、高自己共振周波数の特性を有するため高周波領域での利用に適することが明らかである。
【0044】
【表2】
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の絶縁性ガラスセラミックは、大気中900℃以下の低温で焼成可能であるとともに、誘電率が低く、機械的強度が高いという効果を有する。
【0046】
また、本発明の積層電子部品は、上記の絶縁性ガラスセラミックを用いることにより、内部導体にAgあるいはAg比率の高い合金を用いることが可能である。また、誘電率が低く自己共振周波数が高いため、高周波領域で利用可能であり、さらに機械的強度が高いという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の絶縁性ガラスセラミックの構成を説明する三成分組成図である。
【図2】本発明の積層電子部品の一実施の形態である積層インダクタの構成例を示す断面図である。
【図3】図2の積層インダクタの製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 セラミック素体
1a〜1l セラミック層
2a、2b 外部電極
3a,3b 第一のめっき皮膜
4a,4b 第二のめっき皮膜
5 コイル
5a〜5g 内部導体
11a〜11l セラミックグリーンシート
15a〜15l 内部導体
16 ビアホール
Claims (2)
- ホウケイ酸ガラスと、主成分として少なくともBaO、Al2O3、SiO2を含有するセラミック成分と、Al2O3よりなる絶縁性ガラスセラミックにおいて、前記ホウケイ酸ガラスの含有量をX重量%、前記セラミック成分の含有量をY重量%、前記Al2O3の含有量をZ重量%としたとき、X+Y+Z=100であるとともに、点(X、Y、Z)が、三成分組成図における以下の組成点A、B、C、D;
A(X:94、Y:0、Z:6)
B(X:97、Y:0、Z:3)
C(X:73、Y:27、Z:0)
D(X:60、Y:40、Z:0)
を結ぶ四角形ABCDの辺および内部の領域(ただし辺CD上を除く)にあることを特徴とする絶縁性ガラスセラミック。 - 請求項1に記載の絶縁性ガラスセラミックと、前記絶縁性ガラスセラミックの内部に形成された内部導体と、前記絶縁性ガラスセラミックの外表面に形成され前記内部導体と電気的に接続する外部電極からなる積層電子部品。
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