JP4522025B2 - 誘電体磁器及び積層型電子部品並びに積層型電子部品の製法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体磁器及び積層型電子部品並びにその製法に関するものであり、より詳細には、例えば誘電体層に印加される直流電圧が2V/μm以上であるような高電圧用の積層セラミックコンデンサ等の形成に特に有用な誘電体磁器、及び該磁器を用いて形成された積層型電子部品、並びにその製法に関する。
【0002】
【従来技術】
積層セラミックコンデンサ(MLC)の誘電体層の形成に使用される誘電体材料には、小型・高容量化の為に、高い比誘電率が要求されるのはもちろんのこと、誘電損失が小さく、誘電特性の温度に対する依存性(温度依存性)や直流電圧に対する依存性(DCバイアス依存性)が小さい等の種々の特性が要求される。
【0003】
また、誘電体層の薄層化に伴い、積層セラミックコンデンサに印加する電界の増大による信頼性低下を抑制するために、粒子径のより小さい誘電体材料が使用されるようになってきた。
【0004】
ペロブスカイト型(ABO3型)酸化物であるチタン酸バリウム(BaTiO3)は、コンデンサ等の電子部品に用いる誘電体材料として広く使用されており、特に小型・高容量で温度特性に優れた積層セラミックコンデンサ用の誘電体材料として、大きな比誘電率を示すサブミクロン粒径のBT焼結体が主流となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した公知のBT系材料には、DCバイアス依存性が高く、直流電圧印加による比誘電率の減少が大きいという欠点がある。即ち、小型化の為に誘電体層の薄層化を推し進めると、誘電体層に印加される電界が増大する為、このようなBT系材料で形成された誘電体層から成るコンデンサでは、静電容量の減少が大きく、実効的静電容量が小さくなるという問題があった。
【0006】
また、BT型結晶粒子の粒径をサブミクロンよりさらに小さくしていくと、DCバイアス依存性を改善できるが、粒子サイズの微小化に伴い比誘電率も減少してしまうため、小型・高容量・DCバイアス特性を同時に満足することはできなかった。
【0007】
例えば、特開平9−241075号公報には、平均粒径が0.1〜0.3μmであり、温度特性の異なる2種類以上の微粒子結晶により構成された誘電体磁器が提案されており、この誘電体磁器は、平坦な温度特性(誘電特性の温度依存性が小さい)と、優れたDCバイアス特性を有していることが記載されている。即ち、微粒子化により誘電体磁器の誘電的活性を小さくすることにより、平坦な温度特性と優れたDCバイアス特性を得ている。
【0008】
しかしながら、0.1〜0.3μmの様な粒子サイズでは、最大でも2100程度の比誘電率しか得られず、高容量化に限界があった。
【0009】
また、原料の粒子サイズが0.3μm以下になると、焼結時に容易に固溶体を形成し粒成長してしまうため、原料粒子サイズを維持したまま緻密な焼結体を作製するには種々の条件が必要であり、上記先行技術の誘電体磁器は作製が困難であった。
【0010】
更に特開平2000−58378号公報には、BaTiO3のBaを一部Caで置換した(Ba1-xCax)TiO3(以下、BCTと呼ぶことがある)を用い、コアシェル構造を形成する事により、平坦な温度特性と、優れたDCバイアス特性を実現できることが記載されている。
【0011】
しかしながら、BaTiO3のBaの一部をCaで置換した場合には、Ca置換量が少量であっても、比誘電率が大きく減少する事が知られている。即ち、BCT焼結粒子の粒径をサブミクロンオーダーとすることにより、温度特性やDCバイアス特性を著しく向上させることはできても、比誘電率を2000よりも高めることは困難である。
【0012】
また、BCTは、比誘電率の温度特性を制御する上で必要不可欠であるMg、希土類元素と混合し、焼成すると、Caの拡散にともなって、粒成長が起こり易く、厳しい条件制御が必要であった。特に、サブミクロン以下の粒径を有する原料を用いた場合には、著しい粒成長を起こしてしまう。さらに、BCTに含まれるCa量が多いほど原子拡散による粒成長が起こりやすく、BCTのCa置換量が数%以上の場合、微粒子焼結体を作製する事は容易ではなかった。さらに、粒成長を抑制するため低温で焼成した場合、Mg、希土類元素の拡散が不充分となり易く、温度特性が制御できないという問題があった。
【0013】
さらに、一般に磁器では厚みを薄くすることにより絶縁抵抗が低下し、特に直流電圧が2V/μm以上であるような高電圧を印加する積層セラミックコンデンサでは、絶縁破壊電圧が低下し、部品寿命が短くなるという問題があった。
【0014】
従って、本発明は、比誘電率が大きく、かつ比誘電率の温度特性、DCバイアス特性が良好で、薄層化しても誘電体磁器の絶縁破壊電圧を向上できる誘電体磁器、及び高電圧が印加されても静電容量の低下率が小さい積層型電子部品並びに積層型電子部品の製法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体磁器は、Aサイトの一部がCaで置換されたペロブスカイト型チタン酸バリウム結晶粒子(BCT型結晶粒子)と、置換Caを含有していないペロブスカイト型チタン酸バリウム結晶粒子(BT型結晶粒子)と、粒界とを有する誘電体磁器であって、前記BT型結晶粒子の表面に、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有する複合酸化物からなる被覆層が形成されていることを特徴とする。
【0016】
一般に、チタン酸バリウム(BaTiO 3 )は、逐次相転移に伴う原子の揺らぎに起因して4000を越す大きな比誘電率を示すが、逐次相転移の前駆現象である原子の揺らぎに起因した高比誘電率の為、DCバイアスの印加による比誘電率の減少が大きい。
【0017】
一方、チタン酸バリウム(BaTiO 3 )に見られる3つの逐次相転移点の内、最も高温(125℃程度)にある相転移温度は、Aサイトの一部がCaで置換されても殆ど変わることがないが、室温近傍とそれよりさらに低温の構造相転移点は、置換Ca量の増大に比例して低温にシフトする。即ち、BTが高誘電率を示す大きな要因は、室温近傍とさらに低温の構造相転移の前駆現象である原子の揺らぎの増大であるため、Aサイトの一部がCaで置換されたBCTでは、室温近傍及びさらに低温での転移点が低温側にシフトしており、比誘電率は減少するものの、DCバイアス特性は大きく向上する。
【0018】
即ち、本発明の誘電体磁器では、高比誘電率を示し、温度特性に優れたBT型結晶粒子と、DCバイアス特性に優れたBCT型結晶粒子との共存構造を実現することにより、BT型結晶に比べDCバイアス特性に優れ、また、BCT型結晶に比べ高誘電率であり、且つ誘電特性の温度依存性が小さいという特性を示すものである。
【0019】
さらに、本発明では、少なくともBT型結晶粒子の表面に、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有する複合酸化物からなる被覆層が形成されていることが重要である。このように絶縁抵抗を向上するためのアルカリ土類元素が、希土類元素やSiとともに複合酸化物の形態でBT型結晶粒子表面に存在し、この複合酸化物が比較的高い絶縁抵抗を有するため、誘電体磁器の電界強度を高め、誘電体磁器の絶縁破壊電圧を向上することができる。
【0020】
また、本発明では、BCT型結晶粒子、被覆層を有するBT型結晶粒子の粒界には、アルカリ土類とSiを含有するガラス相が形成されていることが望ましい。このガラス相は高絶縁性を有しており、添加成分が焼成時に液相を形成したもので、誘電体層の焼結を促進するとともに、その一部はBaTiO3粉末を被覆している希土類元素と反応して、焼結体中のBT型結晶粒子表面に被覆層を形成している。
【0021】
さらに、本発明では、BT型結晶粒子の前記被覆層が、M4R6O(SiO4)型構造(Mはアルカリ土類元素、Rは希土類元素)を有する結晶質であることが望ましい。このようなM4R6O(SiO4)型構造(Mはアルカリ土類元素、Rは希土類元素)を有する結晶相は、誘電損失が低く、高い絶縁抵抗を示すことから、さらに誘電体磁器の絶縁抵抗を高め、誘電体磁器の電界強度を向上できる。
【0022】
また、本発明では、Mgおよび希土類元素を含有するとともに、前記Mgおよび前記希土類元素の少なくとも一部は、それぞれ前記BCT型結晶粒子、前記BT型結晶粒子中に固溶していることが好ましい。希土類元素としては、Y、Tb、Dy、Ho、ErおよびYbから成る群より選択された少なくとも1種であることが好ましく、BCT型結晶粒子は、Aサイトの2〜22モル%がCaで置換されていることが好ましい。
【0023】
また、本発明の誘電体磁器は、BCT型結晶粒子とBT型結晶粒子とを、BCT/BT=0.05乃至20のモル比で含有していることが好適である。更に、本発明の誘電体磁器は、Mnを、MnCO3換算で、0.4重量%以下の量で含有していることが望ましい。
【0024】
かくして本発明の誘電体磁器は、サブミクロンオーダーの平均粒径(0.2〜0.8μm)でBCT型結晶粒子とBT型結晶粒子が共存し、少なくともBT型結晶粒子の表面に、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有する複合酸化物からなる被覆層が形成されており、この結果、高誘電率を有し、しかも、誘電特性の温度依存性やDCバイアス依存性も極めて小さく、絶縁抵抗、及び誘電体磁器の絶縁破壊電圧を高め、誘電体層1層あたりの電界強度を向上することができるという極めて優れた特性を有している。
【0025】
本発明によれば更に、上記記載の誘電体磁器からなる誘電体層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型電子部品が提供される。
【0026】
本発明の積層型電子部品の製法は、(Ba,Ca)TiO3粉末と、表面が、MgO、MnOおよび希土類元素の酸化物で被覆された被覆BaTiO3粉末と、少なくともアルカリ土類元素及びSiを含む添加物粉末とを混合し、スラリーを調製する工程と、該スラリーを用いて作製されたグリーンシートと内部電極パターンとが交互に積層された積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備する製法である。
【0027】
この製法において、先ず、BaTiO 3 粉末の表面に、MgO、MnO、希土類元素の酸化物を被覆した被覆BaTiO3粉末と(Ba,Ca)TiO 3 粉末とに添加物成分を添加して混合することにより、焼成後にBT型結晶粒子の表面にほぼ均一に高絶縁性の複合酸化物からなる被覆層を形成するとともに、BCT型結晶粒子に対するMg、希土類元素の過剰な固溶や粒成長を抑制し、10μm以下に薄層化した誘電体層の1層あたりの電界強度を高め、絶縁破壊電圧を高めることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
(結晶粒子)
本発明の誘電体磁器は、BCT型結晶粒子とBT型結晶粒子とを含有するものであり、上述した様に、このような2種の結晶粒子が共存していることにより、優れた特性を示す。
【0029】
BCT型結晶粒子は、Aサイト(Baサイト)の一部がCaで置換されたペロブスカイト型チタン酸バリウムであり、理想的には、下記式:
(Ba1−xCax)TiO3
で表されるが、本発明においては、Mgおよび希土類元素が、通常、このBサイトに固溶している(Aサイトに固溶していることもある)。
【0030】
一方、BT型結晶粒子は、Ca非置換型のペロブスカイト型チタン酸バリウムであり、理想的には、下記式:
BaTiO3
で表されるが、上記のBCT型結晶粒子と同様、このBT型結晶粒子においても、このB
サイトに、通常、Mg及び希土類元素が固溶している。
【0031】
本発明において、上記BCT型結晶粒子におけるAサイト中のCa置換量は、2〜22モル%、特に4〜15モル%であることが好ましい。Ca置換量がこの範囲内であれば、室温付近の相転移点が十分低温にシフトし、BT型結晶粒子との共存構造により、コンデンサとして使用する温度範囲において優れたDCバイアス特性を確保できるからである。
【0032】
例えば、Ca置換量が上記範囲よりも少量のときは、その誘電特性は、BT型結晶粒子と大きな差異がなく、BCT型結晶粒子を用いる有効性が小さくなってしまう。一方、Ca置換量が上記範囲よりも多くなると、CaTiO3が容易に析出してしまい、誘電率の低下を生じるおそれがある。
【0033】
また、BCT型結晶粒子およびBT型結晶粒子は、何れも、0.2〜0.8μmの平均粒径を有しており、特に比誘電率を高め、且つ比誘電率の温度依存性を抑制するためには、0.3〜0.7μmの平均粒径を有していることが好ましい。なお、BT型結晶粒子については、被覆層も含めた平均粒径が0.2〜0.8μmである。例えば、これら結晶粒子の平均粒径が0.2μmよりも小さいと、これら結晶粒子の比誘電率は何れも低く、誘電体磁器の比誘電率を高めることが困難となってしまう。また、焼成に際して、両者の間で容易に固溶が生じ、共存構造の実現が困難となるからである。更に、これら結晶粒子の平均粒径が0.8μmよりも大きくなると、その粒子サイズの増大に伴って比誘電率が増大し、温度依存性、DCバイアス依存性が大きくなってしまう。
【0034】
そして、本発明の誘電体磁器では、BT型結晶粒子の表面には、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有するM4R6O(SiO4)型構造を有する複合酸化物からなる被覆層が形成されている。被覆層を形成するアルカリ土類元素としては、Ca、Srがある。この被覆層はBT型結晶粒子の全周を取り囲むように、BT型結晶粒子の表面にほぼ均一厚みで形成されている。また、BT型結晶粒子表面の被覆層は、一部BT型結晶粒子から離れて粒界に存在する場合がある。
【0035】
また、被覆層は、例えば、Ca4Y6O(SiO4)結晶相や、他のCa、Y、Si、およびLi等を含む化合物から構成されており、このようなCa4Y6O(SiO4)結晶相の存在は、透過電子顕微鏡(TEM)の微小領域電子回折像によって確認できる。
【0036】
また、被覆層を構成するこのCa4Y6O(SiO4)結晶相中のYの代わりに、他の希土類元素を用いても同様の複合酸化物を形成することができるが、Y、Tb、Dy、Ho、Er及びYbが望ましく、特に、高誘電率化という点からYが望ましい。
【0037】
一方、このCa4Y6O(SiO4)結晶相中のCaの代わりに、他のアルカリ土類元素を用いても同様の複合酸化物を形成することができるが、Ca4Y6O(SiO4)結晶相と同じ結晶構造を持つ複合酸化物を形成する点から、CaもしくはSrが望ましく、特に、高い電界強度を有するために高絶縁抵抗化という点からCaが望ましい。
【0038】
Mg、Mnについては、殆どがBCT型結晶粒子およびBT型結晶粒子内に固溶するが、一部粒界に存在し、非晶質相を形成する場合がある。
【0039】
本発明においては、既に述べた通り、BCT型結晶粒子およびBT型結晶粒子の何れにも、Mgおよび希土類元素が固溶している。これらの元素成分は、原料粒子の焼結性を高め、粒成長を抑制し、前述した平均粒径の結晶粒子を形成させるための焼結助剤として使用されるMg化合物及び希土類元素化合物、BaTiO3粉末の被覆成分に由来するものであり、希土類元素としては、特に制限されるものではないが、上記したように、特に希土類元素としてはY、Tb、Dy、Ho、Er及びYbを例示することができ、これら希土類元素は、1種単独でも2種以上であってもよい。
【0040】
また、Mgおよび希土類元素は、一部がこれら結晶粒子の粒界に存在する場合がある。粒界に存在する場合は主として非晶質として存在する。
【0041】
Mgおよび希土類元素の焼結過程における役割について述べる。BTおよびBCT型結晶粒子は、何れも、焼結時に原子拡散による粒成長を起こしやすく、微小粒径の緻密焼結体を得にくい。特に、用いた原料粒子サイズがサブミクロンより小さい場合、粒子体積に対し、表面積が大きな割合を占め、表面エネルギーが大きいことによって、エネルギー的に不安定な状態になってしまう。このため、焼成に際して、原子拡散による粒成長を生じ、表面積が小さくなって表面エネルギーの低下による安定化が生じる。従って、粒成長が起こりやすく、微小サイズの粒子からなる緻密焼結体は得にくいものとなっている。具体的には、0.2μmより小さい微小粒子サイズのBTおよびBCTの焼結体は、容易に固溶・粒成長を生じ、粒子間の原子の移動を抑制するものを粒子間に導入しなければ1μmを越える大きな粒子サイズからなる焼結体が形成されてしまい、サブミクロン以下の微小粒子サイズからなる緻密な焼結体を得るのは困難である。
【0042】
しかるに、微小結晶原料とともに、MgとYの様な希土類元素を添加剤として導入し、さらに焼成条件を調整することにより、原料結晶粒子のサイズを反映した微小粒子焼結体を得ることができる。これらの添加物は、粒子表面に拡散し液相を形成することにより、焼結を促進するとともに、粒界近傍および粒界に存在して母相であるBT型結晶粒子、BCT型結晶粒子間におけるBa、Ca、Ti原子の移動を妨げ、粒成長を抑制する。
【0043】
なお、BT型結晶粒子、BCT型結晶粒子中における各元素の固溶、拡散状態は、これらの結晶粒子を透過型電子顕微鏡で観察することにより確認することができる。
【0044】
また、BCT型結晶粒子とBT型結晶粒子とは、BCT/BT=0.05乃至20、特に、0.25乃至4のモル比で存在していることが好ましい。即ち、BCT型結晶粒子の割合が上記範囲よりも少ないか或いはBT型結晶粒子の割合が上記範囲よりも多いと、BCT型結晶粒子の優れた特性、例えば温度特性やDCバイアス特性が損なわれてしまうおそれがある。また、BCT型結晶粒子の割合が上記範囲よりも多いか或いはBT型結晶粒子の割合が上記範囲よりも少ないと、BT型結晶粒子を共存させた技術的意義が失われ、例えば誘電率の低下を生じたり、BCT型結晶粒子における焼成時のCa拡散を有効に抑制することが困難となり、焼結性の低下や粒成長を生じ、温度特性やDCバイアス特性の低下を生じるおそれがある。
【0045】
また本発明の誘電体磁器においては、それぞれ酸化物換算で、0.05乃至0.5重量%、特に0.1乃至0.5重量%のMgと、0.1乃至1.7重量%、特に0.1乃至1.5重量%の希土類元素とを含有していることが好ましい。これらは、前記の如く、焼結助剤に由来する元素成分であり、少なくとも一部はBCT型結晶粒子およびBT型結晶粒子中に固溶している。これら元素成分の量が上記範囲よりも少ないと、緻密な焼結体を得ることが困難となるばかりか、誘電体磁器の温度特性やDCバイアス特性も低下する傾向がある。また、これらの元素成分の量が上記範囲よりも多いと、上記結晶粒子の粒界への析出量が増大する結果、誘電体磁器の優れた特性が全般的に低下する傾向がある。
(他成分)
さらに、本発明の誘電体磁器は、上述した結晶粒子やMg、希土類元素成分以外の他の成分を含有していてもよく、例えば、Mnを、MnCO3換算で0.4重量%以下、特に0.05乃至0.4重量%の割合で含有することができる。Mnは、還元雰囲気における焼成によって生成するBT型結晶粒子、BCT型結晶粒子中の酸素欠陥を補償し、絶縁的信頼性を向上させるために使用される。このようなMn成分を含有させることにより、誘電体磁器の電気的絶縁性が増大し、また高温負荷寿命を大きくし、コンデンサ等の電子部品としての信頼性が高められる。なお、Mn含量が上記範囲よりも多量となると、誘電体磁器の比誘電率及び絶縁性が低下するおそれがある。このようなMnは、主としてBT型結晶粒子やBCT型結晶粒子内部に拡散し均一固溶するが、粒界に非晶質として存在することもある。
【0046】
また耐還元性を向上するとともに、異常粒成長を抑制するために少量のBaCO3を含有していてもよい。
【0047】
本発明の積層型電子部品は、誘電体層と内部電極層とを交互に積層してなるものであり、誘電体層が上記した誘電体磁器から構成されている。誘電体層厚みは、高い絶縁性が要求されるという点から、本発明は、誘電体層の厚みが4μm以下の場合に好適に用いられる。このような積層型電子部品は、例えば、先ず、誘電体層となるグリーンシートを作製する。このグリーンシートは、(Ba,Ca)TiO 3 粉末およびBaTiO 3 粉末の混合物を用いて形成する。
【0048】
主原料の(Ba,Ca)TiO3粉末およびBaTiO3粉末の合成法は、固相法、液相法(シュウ酸塩を経過する方法等)、水熱合成法等があるが、そのうち粒度分布が狭く、結晶性が高いという理由から水熱合成法が望ましい。(Ba,Ca)TiO3粉末およびBaTiO3粉末の比表面積は1.7〜6.6(m2/g)が好ましい。
【0049】
そして、本発明の誘電体磁器を作製するには、BaTiO 3 粉末として、その表面を希土類元素、MgおよびMnのそれぞれの酸化物の混合物で被覆したもの(以下、被覆BaTiO3粉末ということもある)を用いる。このようなBaTiO 3 粉末の被覆手法としては、固相法、液相法、気相法などがあるが、手法は特に限定されるものではない。上記のBaTiO3粉末の表面に形成された被覆膜は、希土類元素、Mg、Mnの3種類の元素が混合されており、これらの元素が酸化物の状態で混在した状態となっている。被覆層には少なくとも希土類元素を含む必要がある。
【0050】
また、希土類元素、Mg、Mnによる被覆量は、BaTiO3が100重量部に対して酸化イットリウム(Y2O3)を0.5〜1.5重量部、酸化マグネシウム(MgO)を0.1〜0.3重量部、酸化マンガン(MnO)を0.1〜0.3重量部の割合が望ましい。
【0051】
グリーンシートの誘電体磁器組成は、(Ba,Ca)TiO3粉末と、被覆BaTiO3粉末に対して、Li2OおよびBaTiO3粉末の混合粉100重量部に対して0.5〜2重量部添加して構成されている。さらに所望のMg化合物、Mn化合物、希土類酸化物粉末を添加することもできる。
【0052】
次に、上記グリーンシートに内部電極ペーストを塗布して内部電極パターンを形成し、これを乾燥させ、この内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数枚積層し、熱圧着させる。その後、この積層物を格子状に切断して、電子部品本体成形体を得る。この電子部品本体成形体の両端面には、内部電極パターンの端部が交互に露出している。
【0053】
次に、この電子部品本体成形体を大気中で5〜40℃/hの昇温速度で200〜400℃にて脱バインダ処理を行い、その後、還元雰囲気中で500℃からの昇温速度を100〜400℃/hとし、1100〜1300℃の温度で2〜5時間焼成し、続いて100〜400℃/hの降温速度で冷却し、窒素雰囲気中900〜1100℃で再酸化処理を行う。
【0054】
特に、500℃からの昇温速度を100〜400℃/hとし、1180〜1270℃の温度で焼成することにより、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有する複合酸化物をBT型結晶粒子の表面に存在させることができる。
【0055】
即ち、Ca4Y6O(SiO4)結晶相からなる被覆層は、BaTiO3粉末に、Y、Mg、Mnの3種類の元素を同時に湿式法により化学的に被覆し、(Ba、Ca)TiO3粉末と被覆BaTiO3粉末に対して、CaO、Li2OおよびSiO2とを含む添加物成分を混合し、還元雰囲気中で500℃から焼結温度までの昇温速度を100〜400℃/hとし、1100〜1300℃の温度で2〜5時間焼結し、続いて100〜400℃/hの降温速度で冷却することによって生成させることができる。
【0056】
これはBaTiO3粉の表面に希土類元素、MgおよびMnを被覆しているため、これらの希土類元素、MgおよびMnが特にBaTiO3粉末へ固溶し易くなり、そのうちMg及びMnが優先的にBaTiO3粉末へ固溶していくため、被覆している希土類元素のうち一部がBaTiO3粉末に固溶しきれず、BaTiO3表面に取り残され、上記したような、500℃から焼結温度までの昇温速度を従来よりも低い100〜400℃/hとすることにより、添加物成分として添加したCaO、SiO2と反応し、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiとの複合酸化物、例えばCa4Y6O(SiO4)結晶相からなる被覆層がBT型結晶粒子の表面に生成すると考えている。
【0057】
この後、焼成した電子部品本体の両端面に、外部電極ペーストを塗布して窒素中で焼き付けることによって外部電極を形成する。さらに外部電極の表面を脱脂、酸洗浄、純水を用いた水洗を行った後、バレル方式により、メッキを行う。
【0058】
このような積層セラミックコンデンサからなる積層型電子部品では、高誘電率で、優れたDCバイアス特性を有する本発明の誘電体磁器により形成された誘電層を備えているため、印加直流電圧が2V/μm以上であるような高電圧用に極めて有用であり、誘電体層1層あたりの電界強度を高め、絶縁破壊電圧を向上させることができ、高温負荷試験における信頼性をも向上することができるため、高容量化・小型化をさらに推し進めることができる。更に、平均粒径の小さい誘電体磁器を用いていることにより、誘電体層厚みを容易に薄層化することができ、静電容量の向上、小型化が可能になると共に、Ni、Cu等の卑金属を導体として用いることにより、安価な積層セラミックコンデンサが得られる。
【0059】
【実施例】
積層型電子部品の一つである積層セラミックコンデンサを以下のようにして作製した。まず、誘電体素材料として、平均粒径0.35〜0.4μmのBaTiO3粉末を用い、BaTiO3100重量部に対して、MgOを0.2重量部、MnOを0.1重量部と、表1に示すY2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3 およびYb2O3を1.0重量部とを、Mg、Mn、Y等が混在した状態で存在するように被覆し、この被覆BaTiO3粉末と、平均粒径0.4μmの(Ba,Ca)TiO 3 粉末を表1に示したような所定の比率になるよう調整し、被覆BaTiO3粉末と(Ba,Ca)TiO 3 粉末の合量100重量部に対して、Li2O、SiO2、BaO、CaOを含有する低融点ガラス粉末1重量部と、さらに表1に示す添加物成分を、被覆BaTiO3粉末と(Ba,Ca)TiO 3 粉末の合量100重量部に対して、表1に示す割合で添加し、直径5mmのZrO2ボールを用いたボールミルにて湿式粉砕することにより調製した。なお、表1において、(Ba,Ca)TiO 3 粉末のAサイトのCa置換量は、式:(Ba1−xCax)TiO3におけるxの値で示した。
【0060】
次に、この粉末に有機バインダを混合してスラリーを調製し、ドクターブレードにより厚み5.5μmのグリーンシートを作製した。
【0061】
次にこのグリーンシート上に、Niを主成分とする内部電極ペーストをスクリーン印刷した。
【0062】
次に、内部電極ペーストを印刷したグリーンシートを100枚積層し、その上下面に、内部電極ペーストを印刷していないグリーンシートをそれぞれ20枚積層し、プレス機を用いて一体化し、積層成形体を得た。
【0063】
次に、この積層成形体を10℃/hの昇温速度で大気中で300℃にて脱バインダ処理を行い、500℃からの昇温速度が300℃/hの昇温速度で、1100℃〜1300℃(酸素分圧10−11atm)で2時間焼成し、続いて300℃/hの降温速度で1000℃まで冷却し、窒素雰囲気中1000℃で4時間再酸化処理をし、300℃/hの降温速度で冷却し、電子部品本体を作製した。この誘電体層の厚みは3.9μmであった。
【0064】
比較例として、(Ba,Ca)TiO 3 粉末を用いなかった以外は、上記と同様にして、即ち、被覆BaTiO3粉末100重量部に対して、Li2O、SiO2、BaO、CaOを含有する低融点ガラス粉末1重量部を加えた原料粉末(試料No.22)、および(Ba,Ca)TiO 3 粉末を用いず、被覆層を形成していないBaTiO3粉末100重量部に対して、MnCO3を0.1重量部、MgOを0.2重量部、Y2O3を1.0重量部、Li2O、SiO2、BaO、CaOを含有する低融点ガラス粉末を1.0重量部加えた原料粉末(No.23)を調製して、厚み5.5μmのグリーンシートを作製した。試料No.22、23についても実施例と同様にして電子部品本体を作製した。
【0065】
次に、焼成した電子部品本体をバレル研磨した後、電子部品本体の両端部にCu粉末とガラスを含んだ外部電極ペーストを塗布し、850℃、窒素中で焼き付けを行い外部電極を形成した。その後、電解バレル機を用いて、この外部電極の表面に、順にNiメッキ及びSnメッキを行い、積層セラミックコンデンサを作製した。
【0066】
次に、これらの積層セラミックコンデンサの比誘電率、静電容量の温度特性、DCバイアス特性及び高温負荷寿命の測定を行った。比誘電率及び静電容量の温度特性は周波数1.0kHz、測定電圧0.5Vrmsの測定条件で、DCバイアス特性は20℃、0Vの場合に対して室温で8Vの直流電圧をかけた場合の容量変化として示した。
【0067】
また、高温負荷試験(MTTF)は、温度125℃、電圧64Vの条件で、試料数100個につき絶縁破壊時間を測定し、その平均値を算出した。また、比誘電率は、静電容量と内部電極層の有効面積、誘電体層の厚みから算出した。誘電体層を構成するBT型結晶粒子(被覆層まで含む)とBCT型結晶粒子の平均粒径を求めた。
【0068】
なお、誘電体層中の被覆層の評価は透過電子顕微鏡観察と微小領域電子線回折法により行い、被覆BaTiO3粉末を用いた場合はBT型結晶粒子にM4R6O(SiO4)型構造を有する結晶質の複合酸化物の被覆層が形成されていることを確認した。
【0069】
【表1】
【0070】
【表2】
【0071】
表2の結果から、本発明の誘電体磁器を誘電体層とするセラミックコンデンサは、誘電体層の比誘電率が2000以上であり、温度変化率、DCバイアス、高温負荷寿命とも優れた特性を示したのに対し、BT単独で誘電体層を形成した場合には、DCバイアスによる容量変化が−35%前後と大きく、さらに被覆層の形成されていない試料No.23では絶縁破壊電圧が低下し、高温負荷寿命が短くなった。
【0072】
【発明の効果】
本発明の誘電体磁器では、比誘電率が2000以上で、比誘電率の温度特性が±10%以内で、かつ2V/μmのDCバイアス印加による比誘電率の変化率が20%以内の特性を有し、絶縁破壊電圧を向上でき、それにより高電圧が印加されても静電容量の低下率が小さい小型・高容量・高信頼性の積層型セラミックコンデンサ等の積層型電子部品を実現することができる。
Claims (6)
- Aサイトの一部がCaで置換されたペロブスカイト型チタン酸バリウム結晶粒子(BCT型結晶粒子)と、置換Caを含有していないペロブスカイト型チタン酸バリウム結晶粒子(BT型結晶粒子)と、粒界とを有する誘電体磁器であって、前記BT型結晶粒子の表面に、アルカリ土類元素、希土類元素およびSiを含有する複合酸化物からなる被覆層が形成されていることを特徴とする誘電体磁器。
- 前記粒界にアルカリ土類元素とSiを含有するガラス相が形成されていることを特徴とする請求項1記載の誘電体磁器。
- 前記被覆層が、M4R6O(SiO4)型構造(Mはアルカリ土類元素、Rは希土類元素)を有する結晶質であることを特徴とする請求項1または2記載の誘電体磁器。
- Mgおよび希土類元素を含有するとともに、前記Mgおよび前記希土類元素の少なくとも一部は、それぞれ前記BCT型結晶粒子、前記BT型結晶粒子中に固溶していることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の誘電体磁器。
- 請求項1乃至4のうちいずれかに記載の誘電体磁器からなる誘電体層と内部電極層とを交互に積層してなることを特徴とする積層型電子部品。
- (Ba,Ca)TiO3粉末と、表面が、MgO、MnOおよび希土類元素の酸化物で被覆された被覆BaTiO3粉末と、少なくともアルカリ土類元素及びSiを含む添加物粉末とを混合し、スラリーを調製する工程と、該スラリーを用いて作製されたグリーンシートと内部電極パターンとが交互に積層された積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする積層型電子部品の製法。
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