JP4360154B2 - 誘電体磁器組成物およびその製造方法、ならびにセラミック電子部品 - Google Patents

誘電体磁器組成物およびその製造方法、ならびにセラミック電子部品 Download PDF

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本発明は、誘電体磁器組成物およびその製造方法に関し、特に、中高圧用途のコンデンサに用いる誘電体磁器組成物およびその製造方法に関する。またそれらを用いたコンデンサ等のセラミック電子部品に関する。
従来、中高圧用途(例えば直流定格電圧1kV〜6kV)のコンデンサ材料のうち温度に対する誘電率変化の小さい誘電体磁器組成物として、BaTiO3にBi、Zr、Sn、希土類の酸化物を添加した系や、BaTiO3にNb、Co、希土類の酸化物を添加した系が用いられてきた。これらの組成系の材料を用いて製造されるコンデンサは酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成し、Cu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿負荷特性に優れているため、酸素濃度1%未満で焼成する場合に比べて焼成炉が簡易的なもので済み、また電極に貴金属を使用しないため製造コストを低く抑えることができるという利点があった。
しかしながら上記の材料系では、直流破壊電界強度が10kV/mm未満、交流破壊電界強度が6kV/mm未満と耐電圧性能が低いという問題があった。
このような問題に対処するために、BaTiO3にMg、Mn、希土類の酸化物を添加した磁器組成物が提案されている(特許文献1、特許文献2)。
特開昭63−103861号公報 特開平4−264306号公報
これら磁器組成物はNiなど卑金属を内部電極とする積層セラミックコンデンサを主な対象としているため、酸素濃度1%未満の雰囲気で焼成することが前提となっている。酸素濃度が1%未満の雰囲気で焼成した場合には耐電圧性能が高く、耐湿負荷特性にも優れるが、敢えて酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成すると、焼成中にMnは3価となり、セラミック表面にCu薄膜電極をスパッタ法で形成するときの高真空下でMnは2価に変化し、その際にCuを酸化させる。Cu薄膜電極の一部が酸化するとその部分を起点として、高電圧・高湿度環境下では電極の酸化・溶出が進行し故障に至る。つまりこれらの組成物で耐湿負荷特性に優れる中高圧コンデンサを製造するためには、製造コストの点で有利な酸素濃度1%以上の雰囲気での焼成およびスパッタ法によるCu薄膜電極の形成という製造方法の採用を諦めなければならないという問題があった。
また上記組成系でMn含有率が低い場合はMnの価数変化によるCu薄膜電極の酸化の問題はないが、磁器組成物自体の耐還元性が劣るため、Cu薄膜電極をスパッタ法で形成するときの高真空下で磁器組成物自体が還元され、高電圧下で劣化するという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、耐電圧性能が高く、しかも酸素濃度1%以上での雰囲気で焼成してCu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿負荷特性に優れる誘電体磁器組成物およびその製造方法、ならびにそれらを用いたコンデンサ等のセラミック電子部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の誘電体磁器組成物は、一般式(1−α)BaTiO3−αBaZrO3(ただし、αはモル比を示す。)で表される主成分と、一般式xReO1.5−yMgO−zM1Oq(ただし、x、yおよびzは前記主成分100モル部に対するモル部を示す。また、ReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素を、M1はFe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素を示し、qは1〜1.5である。)で表される副成分とを含有し、前記α、x、yおよびzが各々0≦α≦0.05、0.1≦x≦4、0.3≦y≦12、0.01≦z≦5であることを特徴としている。
また、前記誘電体磁器組成物であって、前記ReがTb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素であり、前記α、xおよびyが各々 0≦α≦0.04、0.2≦x≦4、0.5≦y≦8であることを特徴としている。
また本発明のセラミック電子部品は、前記誘電体磁器組成物からなるセラミックの表面に導体が形成されていることを特徴としている。
また前記誘電体磁器組成物からなるセラミック焼結体の表面にスパッタ法でCuを主成分とする金属からなる導体が形成されていることを特徴としている。
さらに、本発明の誘電体磁器組成物の製造方法は、Ba、Ti、ZrおよびMgの化合物と、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素の化合物と、Fe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素の化合物とを準備する工程と、前記化合物を一般式(1−α)BaTiO3−αBaZrO3(ただし、αはモル比を示す。)で表される主成分と、一般式xReO1.5−yMgO−zM1Oq(ただし、x、yおよびzは前記主成分100モル部に対するモル部を示す。また、ReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素を、M1はFe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素を示し、qは1〜1.5である。)で表される副成分とを含有し、前記α、x、yおよびzが各々 0≦α≦0.05、0.1≦x≦4、0.3≦y≦12、0.01≦z≦5となるように混合し成形する工程と、酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成する工程とを含むことを特徴としている。
そして前記誘電体磁器組成物の製造方法であって、前記ReがTb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素であり、前記モル比α、xおよびyが各々0≦α≦0.04、0.2≦x≦4、0.5≦y≦8であることを特徴としている。
本発明の誘電体磁器組成物およびセラミック電子部品は、前記構成を備えているため、耐電圧性能に優れ、かつ酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成しCu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿負荷特性に優れるというという効果が得られる。
また本発明の誘電体磁器組成物の製造方法によれば、耐電圧性能に優れ耐湿負荷特性にも優れる誘電体磁器組成物を酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成するという安価な手段で製造できるという効果が得られる。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。図1は本発明の誘電体磁器組成物を使用して製造されたセラミック電子部品としての単板コンデンサの実施の形態を示す一部破断正面図である。
該単板コンデンサは、本発明の誘電体磁器組成物からなるセラミック1と該セラミック1の表裏両面に形成された導体としての電極2と、はんだ3を介して前記電極と電気的に接続された一対のリード線4a、4bと、セラミック1を被覆する樹脂製の外装5とから構成されている。
そして、本実施の形態では、セラミック焼結体1を形成する誘電体磁器組成物が、下記一般式(1)を主成分とし、下記一般式(2)を副成分として含有している。
(1−α)BaTiO3−αBaZrO3 (1)
xReO1.5−yMgO−zM1Oq (2)
ただし、αは主成分中のBaZrO3のモル比であり、x、yおよびzは前記主成分100モル部に対する各副成分のモル部であり、ReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素であり、qは1〜1.5である。
そして前記α、x、yおよびzは各々
0≦α≦0.05 (3)
0.1≦x≦4 (4)
0.3≦y≦12 (5)
0.01≦z≦5 (6)
を充足するように調製されている。
誘電体磁器組成物が、このような成分組成を有することにより、耐電圧性能に優れ、かつ酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成しCu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿特性に優れる単板コンデンサを得ることができる。
次に、上記単板コンデンサの製造方法について説明する。
まず、上記誘電体磁器組成物を作製する。
すなわち、一般式(1)(2)で表される主成分及び副成分が上記数式(3)〜(6)を充足するように、Ba、Ti、ZrおよびMgの化合物と、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素の化合物と、Fe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素の化合物とを準備し、秤量する。具体的には、例えばBaTiO3、BaZrO3、Mg(OH)2、Re23(ただしReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素である。)、Fe23、NiOまたはZnOを秤量し、これに酢酸ビニルエマルジョンなどのバインダ溶液を添加してボ−ルミルにて混合し、乾燥・造粒してセラミック原料粉末を得る。
次に、この粉末を加圧して所定の円板状に成形し、セラミック成形体を作製する。そしてこの後、該セラミック成形体を酸素濃度1%以上の雰囲気下、1300〜1400℃で2時間焼成し、セラミック1を作製する。
次いで、該セラミック1の表裏両面にスパッタ法によりCuを主成分とした電極2を形成する。
そして、はんだ3を介して電極部2とリード線4a、4bとを接続し、その後樹脂モールドを施して外装5を形成し、これにより単板コンデンサが製造される。
このように本実施の形態では、誘電体磁器組成物は、一般式(1)(2)で表される主成分および副成分が数式(3)〜(6)を充足しているので、耐電圧性能に優れ、かつ酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成しCu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿特性に優れる。
さらに数式
0≦α≦0.04 (7)
0.2≦x≦4 (8)
0.5≦y≦8 (9)
を充足するようにした場合は誘電率の温度変化がさらに小さくなるので好ましい。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態では電極形成法としてスパッタ法を例示したが、それ以外の蒸着法、イオンプレーティング等の他の高真空中で行う薄膜法により形成された場合にも同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態では誘電体磁器組成物を使用して製造されたセラミック電子部品として単板コンデンサを例示したが、貴金属を内部電極とした積層セラミックコンデンサについても同様、耐電圧性能が高く耐湿負荷特性に優れるセラミック電子部品を得ることができるのはいうまでもない。
まず、主成分および副成分の原料として、BaCO3、TiO2、ZrO2、Mg(OH)2、Y23、La23、CeO2、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Tm23、Yb23、Bi23、SnO2、Nb25、MnCO3、CoO、Fe23、NiOおよびZnOを準備した。
これら原料のうちBaCO3とTiO2を等モルづつ秤量し、ボ−ルミルで混合し、乾燥後1100℃の温度で2時間仮焼し、BaTiO3を得た。また、同様にBaCO3とZrO2からBaZrO3を得た。
得られたBaTiO3とBaZrO3に副成分原料を表1〜3に示す割合で副成分を含有するよう秤量し、これに酢酸ビニルエマルジョン50%溶液を10重量%添加してボ−ルミルにて混合し、乾燥・造粒してセラミック原料粉末を得た。なお、表1〜3において副成分の含有量は主成分100モル部に対するモル部である。
この粉末を直径10mm、厚さ1.2mmの円板に1ton/cm2の圧力で成形し、1350℃で2時間、表1〜3に示す酸素濃度の雰囲気で焼成することで直径8.3mm、素子厚み1.0mmの円板状の磁器を得た。焼成雰囲気はキャリアガスによって制御した。すなわち、キャリアガスとしてH2とN2ガスを用いて酸素濃度を1ppmとし、N2ガスを用いて1%とし、N2とO2ガスを用いて20%とし、O2ガスを用いて95%とした。
Figure 0004360154
Figure 0004360154
Figure 0004360154
得られた円板状の磁器の両主面にスパッタ法によりCu薄膜電極を形成し、単板コンデンサを得た。
上記の様にして得られた単板コンデンサについて、比誘電率(εr)、誘電正接(tanδ)及び3.誘電率の温度特性(以下、単に温度特性と記す)を以下の条件で測定した。
・比誘電率・・・1kHz、1Vrms、20℃
・誘電正接・・・1kHz、1Vrms、20℃
・温度特性・・・20℃または25℃での誘電率を基準にした一定温度範囲での誘電率の変化率
温度特性には様々な規格があるがJISによるB特性は−25℃〜+85℃間の誘電率の変化率が20℃での誘電率を基準として±10%以内であること、EIAによるY5R特性は−30℃〜+85℃間の誘電率の変化率が25℃での誘電率を基準として±15%以内であることとなっている。
次に、Cu薄膜電極に部分はんだ付けでリ−ド端子を取りつけた。その後エポキシ樹脂で粉体塗装してリードつき単板コンデンサを得た。
この試料を使用して直流破壊電界強度(DC BDV)、交流60Hzでの破壊電界強度(AC BDV)を測定した。
また、耐湿負荷特性を調べるために、60℃・相対湿度90〜95%の条件で、交流(60Hz)2.0kVrmsの電圧を4000時間印加し、故障率を求めた(試料数20個)。なお、故障とは試料の絶縁抵抗が106MΩ以下となった状態を指す。
これらの評価結果を表4および表5に示す。
Figure 0004360154
Figure 0004360154
なお、表1〜5中で、*印を付したものは、この発明の範囲外のものであり、それ以外はこの発明の範囲内のものである。
表1〜4から明らかなように、この発明の組成の限定理由は次の通りである。
(1)主成分中のBaZrO3のモル比(一般式中のα)が多いほど比誘電率は高くなるが、0.05を超えると温度特性がY5Rの規格を外れるので好ましくない(試料番号61参照)。0.04を超え、0.05以下であればBの規格を外れるが、Y5Rの規格を満たす(試料番号60参照)。
(2)ReO1.5の含有量(一般式中のx)が0.1を下回ると温度特性がY5Rの規格を外れるので好ましくない(試料番号35参照)。0.1以上で0.2を下回る範囲であればBの規格を外れるが、Y5Rの規格を満たす(試料番号36参照)。また、含有量が多くなると焼成温度のわずかな差によって誘電率が大きく変化することが予想されるので好ましくないが、4までは問題ないことが明らかとなっている(試料番号43参照)。
(3)MgOの含有量(一般式中のy)が0.3を下回ると温度特性がY5Rの規格を外れるので好ましくない(試料番号44参照)。0.3以上で0.5を下回る範囲であればBの規格を外れるが、Y5Rの規格を満たす(試料番号45参照)。また12を超えると温度特性がY5Rの規格を外れるので好ましくない(試料番号52参照)。8を超えて12以下の範囲であればBの規格を外れるが、Y5Rの規格を満たす(試料番号51参照)。
(4)M1Oqの含有量(一般式中のz)が0.01を下回ると、酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成した場合に耐湿負荷特性が悪くなるので好ましくない(試料番号4、5、7、8、10、11、12、13、15、16、17、18参照)。0.01を下回ってもMn酸化物の含有量によっては耐湿負荷特性に優れることがあるが、製造コストの点で不利な酸素濃度が1%未満の条件で焼成する必要があるため好ましくない(試料番号9参照)。また5を超えるとメカニズムは不明であるがやはり耐湿負荷特性が悪くなるので好ましくない(試料番号29参照)。
(5)ReO1.5のReをLa、Ce、Ndなどの軽希土類とした場合(ただしCeの場合はCeO2である)は温度特性がY5Rの規格を外れるので好ましくない(試料番号62、63、64参照)。Sm、Eu、Gdとした場合はBの規格を外れるが、Y5Rの規格を満たす(試料番号65、66、67参照)。Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Yとした場合はBの規格を満たす。
(6)従来から知られているBaTiO3にBi、Zr、Sn、希土類の酸化物を添加した系や、BaTiO3にNb、Co、希土類の酸化物を添加した系では耐湿負荷特性や温度特性に問題はないが、耐電圧性能が低い(試料番号1、2参照)。
(7)本発明の誘電体磁器組成物はその特徴によって耐電圧性能に優れ、かつ酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成しCu薄膜電極をスパッタ法で形成しても耐湿負荷特性に優れるというという効果を有するが、最適な焼成雰囲気は酸素濃度1%以上である。つまり酸素濃度1%未満の雰囲気で焼成した場合には耐湿負荷特性に劣ることがある(試料番号19、23参照)。

本発明の誘電体磁器組成物を使用して製造されたセラミック電子部品としての単板コンデンサの一実施の形態を示す一部破断正面図である。
符号の説明
1 セラミック
2 電極

Claims (6)

  1. 一般式(1−α)BaTiO3−αBaZrO3(ただし、αはモル比を示す。)で表される主成分と、
    一般式xReO1.5−yMgO−zM1Oq(ただし、x、yおよびzは前記主成分100モル部に対するモル部を示す。また、ReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素を、M1はFe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素を示し、qは1〜1.5である。)で表される副成分とを含有し、
    前記α、x、yおよびzが各々
    0≦α≦0.05、
    0.1≦x≦4、
    0.3≦y≦12、
    0.01≦z≦5
    であることを特徴とする誘電体磁器組成物。
  2. 前記ReがTb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素であり、
    前記α、xおよびyが各々
    0≦α≦0.04、
    0.2≦x≦4、
    0.5≦y≦8
    であることを特徴とする請求項1記載の誘電体磁器組成物。
  3. 請求項1または2記載の誘電体磁器組成物からなるセラミックの表面に導体が形成されていることを特徴とするセラミック電子部品。
  4. 前記導体はCuを主成分とする金属薄膜であることを特徴とする請求項3記載のセラミック電子部品。
  5. Ba、Ti、ZrおよびMgの化合物と、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素の化合物と、Fe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素の化合物とを準備する工程と、
    前記化合物を
    一般式(1−α)BaTiO3−αBaZrO3(ただし、αはモル比を示す。)で表される主成分と、
    一般式xReO1.5−yMgO−zM1Oq(ただし、x、yおよびzは前記主成分100モル部に対するモル部を示す。また、ReはSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素を、M1はFe、NiおよびZnから選択された1種以上の元素を示し、qは1〜1.5である。)で表される副成分とを含有し、
    前記α、x、yおよびzが各々
    0≦α≦0.05、
    0.1≦x≦4、
    0.3≦y≦12、
    0.01≦z≦5
    となるように混合し成形する工程と、
    酸素濃度1%以上の雰囲気で焼成する工程と
    を含むことを特徴とする誘電体磁器組成物の製造方法。
  6. 前記ReがTb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびYから選択された1種以上の元素であり、
    前記α、xおよびyが各々
    0≦α≦0.04、
    0.2≦x≦4、
    0.5≦y≦8
    であることを特徴とする請求項5記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
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