JP4503298B2 - 多層セラミックキャパシタ用端子電極組成物 - Google Patents

Description

本発明は多層セラミックキャパシタ用の端子電極組成物に関する。より詳細には、多層セラミックキャパシタ用の端子電極組成物に関する。該組成物は、導電性粉末およびガラスフリットバインダを含み、および窒素雰囲気中低温で焼成することができる。

銅またはニッケルのような卑金属、無機バインダで構成され、有機バインダ中に分散される導電性厚膜ペースト組成物は、多層セラミックキャパシタのための端子電極材料として広く用いられている。導電性ペーストは、構成要素金属および内部電極の酸化を抑制するために中性または還元性雰囲気下で焼成され、そのようにして適切な端子接続状態を達成する。用いられる無機バインダは、主としてガラスフリットである。ガラスフリットの流動可能性（軟化挙動）は、導電性ペーストの焼結挙動に影響を与える主たる要因の１つである。多層セラミックキャパシタ上の端子電極用の慣用の卑金属の導電性ペーストは、良好な流動可能性のために酸化鉛および酸化亜鉛を含むガラスフリットを含有する。大抵のそのようなペーストは、焼成後に必要とされる特性を与えるために、少なくとも８００℃の焼成温度を有する。最近の関心は、その層が増大され、かつキャパシタに悪影響を与えることの回避をもたらすより低い温度において焼成可能である、多層セラミックキャパシタ用の端子電極を形成するための導電性ペースト組成物に向けられてきている。また、多層セラミックキャパシタの端子電極における使用に要求される他の特性を有し、無鉛、無ビスマスおよび無カドミウムの端子電極形成材料に対する強い市場の要求が存在する。

しかしながら、乾燥して有機バインダを除去した後に、８００℃未満の温度において無機材料を焼結させ、多層セラミックキャパシタの端子電極形成部位に接着する導電体のパターンを形成するのに十分な時間にわたって焼成する際に、この分野において一般的に用いられるそのようなケイ酸鉛ガラスを含む慣用の導電性組成物に関連する問題点は、電極中のガラスの流動可能性が不充分であり、キャパシタ組立体に対する接着力を損なうことであり、およびキャパシタに対する接着力が良好である場合でさえ、端子電極の焼結が不適切であり、および稠密な構造が形成されないことである。

結果として、引き続くメッキ工程において、メッキ溶液が端子電極を通過し、溶液中の酸によるガラス成分の腐食が発生し、端子強度の深刻な損失をもたらす。

形成される電極の密度を増大させるように８００℃未満における電極の焼結を進行させるために、良好な流動可能性または低い軟化点を有するガラスフリットを選択することは、内部電極中の導電体および端子電極中の導電体の合金化に関連する結合の前にガラスが流れはじめることを引き起こし、そして、内部電極および端子電極の間に薄い誘電体層を形成することをもたらし、電気的特性の安定性および信頼性を低下させる。さらに、より低いガラスの軟化点を有するガラス無機バインダを含有する組成物は、同様に熱膨張係数も上昇させ、電極とキャパシタ組立体との間の熱膨張係数の差のために、キャパシタ組立体または電極中にクラックを発生させ、電気的特性、接着力および信頼性の低下をもたらす。

当該産業は、比較的低い温度における焼成のための、適当な軟化点および熱膨張係数を有し、かつ良好な酸抵抗性を有するガラスを含有する無鉛、無ビスマスおよび無カドミウムの端子電極組成物を要求する。

前述に鑑みて、端子電極用のペースト組成物であって、該ペースト組成物は、鉛、カドミウムおよびビスマスを有さず、かつ８００℃未満および好ましくは７５０℃未満の温度で焼成される際に、必要かつ充分な焼成後(post-firing)特性を有するガラスフリット；すなわち、許容範囲内の軟化点および熱膨張係数、ならびに良好な酸抵抗性を有するガラスフリットを含有するペースト組成物を提供することが本発明の課題である。

本発明は、多層セラミックキャパシタにおける端子電極のための卑金属の導電性ペーストの設計および供給を可能にし、該ペーストは鉛、カドミウムおよびビスマスを持たず、かつ８００℃未満の温度において焼成することが可能である。

本発明は、８００℃未満の温度において焼成可能である端子電極に用いられる導電体ペーストを指向する。該組成物中に見出されるガラスは、無鉛、無ビスマスおよび無カドミウムであり、および好ましくはボロシリケートアルカリ土類ガラスフリットである。以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明において用いられるガラスフリットは、示差熱分析で測定される５３０〜６５０℃の軟化点；熱機械分析によって測定される９．０〜１１．５ｐｐｍ／℃の熱膨張係数（以下、ＴＣＥと略称する）；および５０℃の０．１Ｎ硫酸中への３０分間の浸漬による１０％未満の質量損失を有する。軟化点が６５０℃より高い場合、８００℃未満の焼成温度において、稠密な構造を有する端子電極を実現することができない。一方、軟化点が５３０℃未満である場合、内部電極導電体と端子電極導電体との間の合金化に関連する結合が起こる機会を得る前にガラスが流れ始める。これは、内部電極と端子電極との間に薄い誘電体層の形成をもたらし、それは電気的特性の安定性および信頼性を損なう。５５０〜６２０℃の範囲内の軟化点が特に好ましい。前述のガラスフリットの好ましい範囲の範囲外となるＴＣＥにおいては、クラックが発生する可能性が高く、信頼性または接着力の損失をもたらす。９．０〜１１．５ｐｐｍ／℃の範囲内のＴＣＥが好ましく、９．５〜１１．０ｐｐｍ／℃の範囲内がより好ましい。

酸に誘起されるガラスフリットの質量損失に関する測定に関連する０．１Ｎ硫酸中の浸漬の条件は、メッキプロセス中に実際に遭遇する条件よりも過酷であると信じられる。前述のものよりも大きな質量損失において、ガラスはメッキプロセスによって容易に腐食されるようになりすぎ、したがってメッキ後の接着強度が減少する。１％未満の質量損失が特に好ましい。

本発明に用いられるガラスフリットは、鉛、カドミウムおよびビスマスを含有しない。ガラスは、以下の組成：酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、ＳｒＯとＢａＯとの総含有量はガラスを形成する酸化物の総重量に基づいて３０〜６０％であり；酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、これら３つの成分の総含有量はガラスを形成する酸化物の総重量に基づいて２０〜４５％であり、ここで酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）はガラスを形成する酸化物の総重量に基づいて０〜７％である。

８００℃までの焼成温度において、３０％未満の含有量のＳｒＯ＋ＢａＯを有するガラスフリットは非常に劣悪な酸抵抗性を有し、および６０％を超える含有量のＳｒＯ＋ＢａＯを有するガラスフリットは充分なガラスの流動可能性を欠く。ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量は好ましくは４０〜５５％である。２０％未満の含有量のＢ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ＋任意選択的なＮａ_２Ｏは、充分なガラス流動可能性を実現せず、一方、４５％を超える含有量のＢ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ＋任意選択的なＮａ_２Ｏは酸抵抗性を損なう。Ｂ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ＋任意選択的なＮａ_２Ｏの含有量は好ましくは２５〜４０％である。

７％より大きいＮａ_２Ｏ含有量においては、熱膨張係数がガラスフリットの前述の好ましい範囲の上限を超える可能性がより大きくなり、加えて、ガラスの流動可能性が過大となり、焼結が迅速に進みすぎる。これは、ブリスタ発生に起因する端子電極における形状欠陥をもたらし、および内部電極導電体と端子電極導電体との合金化に関連する結合が起こる機会を得る前にガラスが流れはじめて、内部電極と端子電極との間の薄い誘電体層の形成をもたらし、それは電気的特性の安定性および信頼性を損なう。２〜５％の酸化ナトリウム含有量が特に好ましい。

導電性ペーストは、ペースト内における５〜２０質量％および好ましくは７〜１５質量％の総ガラスフリット含有量において、１つまたは複数の前述のガラスフリットを含む。導電性粉末およびガラスフリットを含む無機固体の総含有量は、５５．０〜８５．０質量％の範囲内である。

５％未満の総ガラスフリット含有量において、メッキ溶液に対する有効なバリアとして機能するのに充分な密度を有する焼成された端子電極フィルムを実現することができず、かつキャパシタ組立体に対する接着力が劣悪である。一方、２０質量％を越えるガラスフリット含有量においては、ガラス成分が焼成されたフィルムの表面に浮いて、メッキの接着を大いに損なう。

ガラスフリットは約０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍの粒度を有する微細に分割された粉末である。大きすぎる粒度は低い密度をもたらし、一方、小さすぎる粒度は、有機バインダのそれとは異なる分散特性をもたらし、レオロジーを変化させ、理想的な被覆形状を実現することを困難にする。

５５質量％未満の無機固体の総含有量においては、稠密な端子電極を形成することができない。一方、８５質量％を越える含有量においては、所望されるペースト粘度が達成されず、あるいは端子電極上の焼成されたフィルムが厚くなりすぎ、それは欠陥をもたらす傾向がある。６５〜７６質量％の総無機固体含有量が好ましい。

本発明の実施において、金属粒子は、銅、ニッケル、銅−ニッケル合金およびそれらの混合物の粉末から選択される。銅粉末が好ましい。球形または不定形を有し、かつ０．５〜３０μｍの粒度を有する銅粒子、０．１〜３０μｍの粒度を有するフレーク状銅粒子およびそれらの混合物が好ましい。大きすぎるペーストの金属粒子は、それから作製される端子電極の密度を損なう。一方、粒度が小さすぎる場合、分散物の特性が有機バインダのそれと異なり、理想的な塗布形状を達成するのを困難にするレオロジーの変化を生じさせる。

導電性ペースト組成物中に用いられる有機媒質は、焼成温度において完全に燃焼し、かつ不完全燃焼した有機物を焼成されたフィルム中に残さないものである。有機媒質は、ペーストの重量を規準として、典型的には１０〜３５質量％、好ましくは１５〜３０質量％の量で添加される。広範な種類の不活性液体を有機媒質中に用いることができる。有機媒質は、固体が適切な安定度を有して分散可能であるものでなければならない。媒質のレオロジー的性質は、組成物に対して良好な付着特性を与えるようなものでなければならない。そのような特性は、適切な安定度を有する固体の分散、組成物の良好な付着、適切な粘度、チクソトロピー、基板および固体の良好な湿潤性、良好な乾燥速度、良好な焼成特性、および乱暴な取り扱いに耐えるのに充分な乾燥フィルム強度を含む。有機媒質は、当該技術において慣用であり、および典型的には、溶媒（単数または複数）中のポリマー（単数または複数）および／または樹脂（単数または複数）の溶液である。この目的のために最も頻繁に用いられる樹脂は、エチルセルロースである。樹脂およびポリマーの他の例は、エチルヒドロキシエチルセルロース、ウッドロジン、エチルセルロースとフェノール樹脂との混合物、低級アルコールのポリメタクリレート、エチレングリコールモノアセテートのモノブチルエーテルを含み、またアクリルポリマー類およびスチレンポリマー類を用いることもできる。厚膜組成物中に見出される最も広範囲に用いられる溶媒は、酢酸エチルおよびα−テルピノールおよびβ−テルピノールのようなテルペン類、それら溶媒の他の溶媒（ケロシン、ジブチルフタレート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコールおよび高沸点アルコール類、およびアルコールエステル類のようなもの）との混合物である。これらおよび他の溶媒の種々の組合せを処方して、所望される粘度および揮発性の要件を獲得してもよい。

加えて、厚膜組成物は、厚膜組成物の技術において知られている他の成分をも含んで、加工中の接着、焼結、加工、蝋付け適性、ハンダ付け適性、信頼性などのような種々の特性を向上させることができる。

本発明の実施に当たり、金属粒子とガラスフリットとを有機媒質中に分散させ、それに続いてペーストを多層セラミックキャパシタの端子電極形成部位上に塗布し、そして８００℃未満の温度において焼成して端子電極を形成する。次に、それらが焼成された後に端子電極の表面をメッキする際に、ニッケルまたはハンダメッキを適用し、それによって完成した端子電極を与える。

本発明の実施例および比較例を以下に提供する。
ガラス組成物および試験結果
以下の第１表は、本発明の実施例および比較例において調製されるペースト中に含まれるガラスフリットの組成および試験結果を示す。ガラスフリットは、溶融および急冷、続いてアルミナボールを用いるボールミル中にてガラスを３〜８μｍの平均粒度まで粉砕することによって調製された。

用いられた測定方法を以下に記載する。
熱膨張係数は、Rigaku Corporation製の熱機械分析計によって測定される際の、室温における値から３５０℃における値に至る直線状の延長線の勾配（ｐｐｍ／℃）を計算することにより決定した。

軟化点は、Rigaku Corporation製の示差熱分析計(Differential Thermal Analyzer)を用いて測定される際の、室温から９００℃に至る示差熱曲線の低温度側から２番目の変曲点（吸熱ピーク）により決定された。

酸抵抗性は、約３０μｍの厚さを有し、アルミナ基板上で焼成することによって得られる焼成された部品を用いて測定された。焼成された部品を５０℃の０．１Ｎ硫酸中に３０分間にわたって浸漬させ、次いで水ですすぎ、その後に１５０℃で１５分間にわたって乾燥させ、質量のパーセント損失を測定した。

ペースト組成物
第１表に質量％で列挙した成分を含む端子電極ペースト組成物のそれぞれを調製した。これらの実験に用いた全ての銅粒子は、３μｍの平均粒度を有する球形銅粒子であった。ガラスは第１表に列挙したガラス形成成分から調製し、ＴＥＣ、ＤＴＡ融点および酸抵抗性試験の結果を第１表に列挙した。有機媒質は、７８質量％のブチルカルビトールアセテート中の２２質量％のメチルメタクリレート（ＭＭＡ、２００，０００の重量平均分子量を有する）の溶液であった。それぞれの成分を計量し、攪拌し、次いで３本ロールミルでブレンドして均一な分散を達成し、ペーストを得た。第２表は、ペースト組成物、ならびに本発明の実施例および比較例において得られた試験結果を示す。

試験結果：
前述の組成を有するペーストを、多層キャパシタチップ上に塗布し、そして窒素雰囲気中７５０℃で焼成して、試験標本を得た。実施した試験は、ブリスタ発生の程度、稠密性、ニッケル内部電極との結合、端子電極の表面へのガラスの浮き、接着強度、および酸抵抗性であった。それぞれの場合において、結果を１（最低）から５（最高）までのスケール上で評価した。ブリスタ発生、稠密性およびニッケル内部電極への結合は、走査電子顕微鏡の下で焼成された膜の断面を検査することによって評価した。フィルム表面に対するガラスの浮き上がりは、金属顕微鏡および走査電子顕微鏡の下で焼成されたフィルム表面を検査することにより評価した。接着強度は、端子電極が鋭利なナイフで切られる際の剥離性に基づいて評価した。酸抵抗性は、焼成された部品の硫酸中への浸漬に続くテープ剥離試験によって評価した。評価結果を第２表に示す。

Claims (6)

1. 銅粉末、ニッケル粉末、銅−ニッケル合金粉末およびそれらの混合物から選択される少なくとも１つの導電性粉末と；鉛、カドミウムおよびビスマスを持たず、５３０〜６５０℃の軟化点、９．０〜１１．５ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するガラスフリットとを含み、前記ガラスフリットは、そこに含まれる酸化物の重量を規準として、３０〜６０％のＢａＯ＋ＳｒＯと、２０〜４５％のＢ _２ Ｏ _３ ＋ＺｎＯ＋Ｎａ _２ Ｏと、０〜７％のＮａ _２ Ｏとを含有するボロシリケートアルカリ土類ガラスであり、前記粉末および前記ガラスフリットが有機媒質中に分散されていることを特徴とする導電性ペースト。
2. ５５．０〜８５．０質量％の無機固体を含有し、該無機固体は前記粉末および前記ガラスフリットを含み、そこで５〜２０質量％がガラスフリットであることを特徴とする請求項１に記載の導電性ペースト。
3. 前記有機媒質は、メチルメタクリレートおよびブチルカルビトールアセテートを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の導電性ペースト。
4. 多層キャパシタ用の端子電極組成物としての請求項１から３のいずれかに記載の導電性ペーストの使用。
5. （ａ） 請求項１から３のいずれかに記載の導電性ペーストを形成する工程と；
   （ｂ） （ａ）の組成物を多層キャパシタの端子電極形成部位に塗布する工程と；
   （ｃ） ８００℃未満の温度で（ｂ）の多層キャパシタを焼成して、完成した端子電極を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする端子電極を形成する方法。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の導電性ペーストを使用する多層キャパシタ。