JP4594049B2 - Multilayer ceramic capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、小型高容量の積層セラミックコンデンサに関する。 The present invention is related to a multilayer ceramic capacitor of small type and high capacity.
近年、電子機器の小型化、高性能化に伴い、積層セラミックコンデンサの小型化、大容量化の要求が高まってきている。このような要求に応えるために、積層セラミックコンデンサ(MLC)においては、誘電体層を薄層化することにより静電容量を高めると共に、積層数を大きくすることにより、小型・高容量化が図られている。また、薄層化に対応した平坦な誘電体層を形成するためと、薄層化による積層セラミックコンデンサへの印加電界の増大による信頼性低下を抑制するために、粒子の微小化が行われている。 In recent years, with the miniaturization and high performance of electronic devices, there has been an increasing demand for miniaturization and large capacity of multilayer ceramic capacitors. In order to meet such demands, in multilayer ceramic capacitors (MLC), the dielectric layer is made thinner to increase the capacitance, and by increasing the number of layers, the size and capacity can be reduced. It has been. In addition, in order to form a flat dielectric layer corresponding to the thinning and to suppress a decrease in reliability due to an increase in electric field applied to the multilayer ceramic capacitor due to the thinning, particles are miniaturized. Yes.
例えば、ガラス粒子に着目した下記の特許文献1では、誘電体層の厚みをt、ガラス粒
子の最大径をDとしたときに、D/t≦0.5の関係を満足するように誘電体層を形成することで、高い絶縁性を有し、高温負荷試験における信頼性を向上できると記載されている。
For example, in the following
また、下記の特許文献2では、誘電体層を構成するチタン酸バリウム結晶粒子について、誘電体層の薄層化とともに、DCバイアス印加時に生じる比誘電率の低下を抑制するために、平均粒径が0.4μm未満のチタン酸バリウム粉末を用いることが記載されている。
ところで、上記した積層セラミックコンデンサの誘電体材料に主として用いられているチタン酸バリウムは、例えば、非特許文献1によれば、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものであるが、比誘電率が約4800という極めて高い比誘電率を示すことが知られている。
By the way, barium titanate mainly used for the dielectric material of the multilayer ceramic capacitor described above has, for example, a perovskite crystal structure according to Non-Patent
しかしながら、積層セラミックコンデンサの製造において、誘電体層の薄層化のために、例えば、上記特許文献1に記載のような微粒のチタン酸バリウム粉末を用いると、通常行われる大気圧下での焼成では異常な粒成長を伴うものである。そのため、誘電体層を構成する結晶粒子は均一な粒径にならず、一部に粒成長した大きな結晶粒子が存在することから、このような結晶粒子を有する積層セラミックコンデンサでは、比誘電率の温度特性が大きくなり、絶縁性が低下し、特に高温負荷試験での信頼性が低下するという問題があった。
However, in the production of a multilayer ceramic capacitor, for example, when a fine barium titanate powder as described in
従って本発明は、誘電体層の厚みを極めて薄くしても高い比誘電率と安定した温度特性ならびに絶縁性を有し、かつ高信頼性の積層セラミックコンデンサを得ることを目的とする。 Accordingly, the present invention aims to have temperature characteristics and insulating stable and high dielectric constant even when extremely thin thickness of the dielectric layer, and obtain a multilayer ceramic con den Sa reliable.
本発明の積層セラミックコンデンサは、複数の結晶粒子が粒界層を介して焼結された誘電体層と、内部電極層とを交互に積層してなるコンデンサ本体を具備する積層セラミックコンデンサであって、(a)前記誘電体層を構成する結晶粒子の平均粒径が0.2μm以下、(b)前期結晶粒子の主成分がチタン酸バリウムであり、(c)前記誘電体層のX線回折パターンから求められる格子定数(a、b、c)の積で表されるユニットセル当りの
体積Vbulkと、前記誘電体層を粉砕して得られた結晶粒子のX線回折パターンから求められる格子定数(a、b、c)の積で表されるユニットセル当りの体積Vpowderとの比が、Vbulk/Vpowder≧1.005の関係を満足することを特徴とする。
Multilayer ceramic capacitor of the present invention, there a laminated ceramic capacitor comprising crystal grains of several and a dielectric layer which is sintered through the grain boundary layer, a capacitor body formed by alternately stacking internal electrode layers (A) the average particle size of the crystal particles constituting the dielectric layer is 0.2 μm or less, (b) the main component of the pre-crystal particles is barium titanate, and (c) the X-rays of the dielectric layer It is obtained from the volume V bulk per unit cell represented by the product of the lattice constants (a, b, c) obtained from the diffraction pattern, and the X-ray diffraction pattern of the crystal particles obtained by grinding the dielectric layer. lattice constant (a, b, c) is the ratio of the volume V powder per unit cell represented by a product of, and satisfies the relationship of V bulk / V powder ≧ 1.005.
上記積層セラミックコンデンサでは、前記結晶粒子を構成する前記チタン酸バリウムのバリウムをAモル、チタンをBモルとしたときに、バリウムとチタンのモル比が、A/B≧1の関係を満足することが望ましい。
また、上記積層セラミックコンデンサでは、前記誘電体層のX線回折パターンから求められる格子定数比がc/a≧1.005の関係を満足することが望ましい。
また、上記積層セラミックコンデンサでは、積層セラミックコンデンサを、前記誘電体層を構成する前記チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子が示すキュリー温度よりも高い温度、および、前記積層セラミックコンデンサの定格電圧の1/3以上の電圧、の高温負荷雰囲気に晒したときに、その前後における交流インピーダンス測定での前記誘電体層中の粒界層の抵抗減少率が0.5%/min.以下であることが望ましい。
In the laminated ceramic capacitor, the barium A mole of barium titanate constituting the crystal grains, when the titanium B mol, the molar ratio of the barium and titanium satisfy the relationship of A / B ≧ 1 Is desirable.
In the multilayer ceramic capacitor, it is preferable that a lattice constant ratio obtained from an X-ray diffraction pattern of the dielectric layer satisfies a relationship of c / a ≧ 1.005 .
Further, in the laminated ceramic capacitor, a multilayer ceramic capacitor, the temperature higher than the Curie temperature indicated crystal grains mainly composed of the barium titanate constituting the dielectric layer, and the rated voltage of the multilayer ceramic capacitor When exposed to a high temperature load atmosphere at a voltage of 1/3 or higher, the resistance reduction rate of the grain boundary layer in the dielectric layer in the AC impedance measurement before and after that is 0.5% / min. The following is desirable.
本発明の積層セラミックコンデンサによれば、誘電体層の厚みを極めて薄くしても高い比誘電率と優れた温度特性ならびに絶縁性を有し、かつ高信頼性の積層セラミックコンデンサおよびその製法を得ることができる。 According to the multilayer ceramic capacitor of the present invention has a temperature characteristic and insulating property and excellent very thin to be high relative dielectric constant and the thickness of the dielectrics layer, and a highly reliable multilayer ceramic capacitor and its manufacturing method Obtainable.
(構造)
本発明の積層セラミックコンデンサについて、図1の概略断面図をもとに詳細に説明する。
(Construction)
The multilayer ceramic capacitor of the present invention will be described in detail based on the schematic sectional view of FIG.
図1は、本発明の積層セラミックコンデンサを示す概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a multilayer ceramic capacitor of the present invention.
引出しの拡大図は誘電体層を構成する結晶粒子と粒界層を示す模式図である。 The enlarged drawing of the drawer is a schematic view showing the crystal grains and the grain boundary layer constituting the dielectric layer.
本発明の積層セラミックコンデンサはコンデンサ本体1の両端部に外部電極3が形成されている。この外部電極3は、例えば、CuもしくはCuとNiの合金ペーストを焼き付けて形成されている。コンデンサ本体1は誘電体層5と内部電極層7とが交互に積層され構成されている。誘電体層5は、結晶粒子9と粒界層11により構成されている。
In the multilayer ceramic capacitor of the present invention,
その厚みは1.6μm以下であることが積層セラミックコンデンサを小型高容量化する上で好ましく、このように誘電体層5の厚みが薄い場合に、本発明にかかる誘電性の結晶粒子からなる構造としたことの有効性が高まる。 The thickness is preferably 1.6 μm or less from the viewpoint of reducing the size and capacity of the multilayer ceramic capacitor. When the thickness of the dielectric layer 5 is thus thin, the structure comprising the dielectric crystal particles according to the present invention. The effectiveness of this is increased.
さらに本発明では、静電容量のばらつきおよび容量温度特性の安定化のために、誘電体層5の厚みばらつきが10%以内であることがより望ましい。 Furthermore, in the present invention, the thickness variation of the dielectric layer 5 is more preferably within 10% in order to stabilize the capacitance variation and capacitance temperature characteristics.
内部電極層7は、高積層化しても製造コストを抑制できるという点で、ニッケル(Ni)や銅(Cu)などの卑金属が望ましく、特に、本発明にかかる誘電体層5との同時焼成が図れるという点でニッケル(Ni)がより望ましい。 The internal electrode layer 7 is preferably a base metal such as nickel (Ni) or copper (Cu) in that the manufacturing cost can be suppressed even if the internal electrode layer 7 is highly laminated. In particular, simultaneous firing with the dielectric layer 5 according to the present invention is possible. Nickel (Ni) is more preferable because it can be achieved.
本発明の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層5を構成する結晶粒子9は、主として、ペロブスカイト型のチタン酸バリウムの結晶粒子からなる。つまり本発明の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層5を構成する結晶粒子9がチタン酸バリウムを主成分とするものであることから、上述のように、高い比誘電率を示すものとなる。そし
て、本発明の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層5を構成する前記結晶粒子9は、上記誘電体層5中において、高い絶縁性および高温負荷信頼性を有するという理由から平均粒径が0.2μm以下であることが重要である。平均粒径が0.2μmよりも大きい場合には、高い絶縁性および高温負荷信頼性が得られない。なお、平均粒径はD50で表すものであり、D50とは粒度分布における体積での積算累積値である。
In the multilayer ceramic capacitor of the present invention, the
一方、結晶粒子9の粒径の下限値としては、誘電体層5の比誘電率を高め、かつ比誘電率の温度依存性を抑制するという理由から、0.05μm以上が好ましい。
On the other hand, the lower limit of the grain size of the
また、前記結晶粒子9は、Mg、希土類元素およびMnを含有することが望ましく、この結晶粒子9に含まれるMg、希土類元素およびMnを含有量は、チタン酸バリウム成分100質量部に対して、Mg=0.04〜0.3質量部、希土類元素=0.5〜2質量部、Mn=0.04〜0.3質量部が好ましい。これらMg、希土類元素およびMnは焼結助剤に由来するものであることから、これらの元素は結晶粒子9中に一部固溶するが、多くは粒界層11に存在する。
The
つまり、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層5において、Mg、希土類元素は、結晶粒子9をコアシェル構造とする成分であり、一方、Mnは還元雰囲気における焼成によって生成する結晶粒子9中の酸素欠陥を補償し、絶縁性および高温負荷寿命を高めることができる。
That is, in the dielectric layer 5 that make up the multilayer ceramic capacitor of the present invention, Mg, a rare earth element is a component of the
また、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層5では、希土類元素は粒子表面である粒界層11を最高濃度として結晶粒子9表面から粒子内部にかけて濃度勾配を有するとともに、0.05原子%/nm以上であることが望ましい。つまり、希土類元素の濃度勾配がこのような条件であれば、比誘電率および高温負荷寿命の向上とともに容量温度特性としてもX5R規格を満足できる。ここで本発明における希土類元素としては、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、Yb、Lu、Scのうち少なくとも1種が好ましく、結晶粒子9の高誘電率化および高絶縁性化という点で、特にYが好ましい。
Further, the dielectric layer 5 that make up the multilayer ceramic capacitor of the present invention, together with a rare earth element has a concentration gradient of
また、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層5では、誘電体層5の比誘電率を高く維持でき、かつ加速試験における耐性を高めるという理由から、磁器中に含まれるアルミナの不純物量が1質量%以下であることが望ましい。 Further, the dielectric layer 5 that make up the multilayer ceramic capacitor of the present invention, because it can maintain a high dielectric constant of the dielectric layer 5, and increase the resistance in the accelerated test, the alumina contained in the porcelain impurities The amount is desirably 1% by mass or less.
上記のように本発明の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層5を構成する結晶粒子9は、粒子中心よりも粒子表面側に焼結助剤に由来する、特に、Mg及び希土類元素が偏在したコアシェル型構造を形成し、その結果、高誘電率となり、高絶縁性という特性を有している。本発明では、かかる誘電体層5の比誘電率は2000以上、特に2500以上であることが好ましい。
As described above, in the multilayer ceramic capacitor of the present invention , the
また、本発明の積層セラミックコンデンサを構成する誘電体層5は、X線回折パターンから求められる格子定数(a、b、c)の積で表されるユニットセル当りの体積Vbulkと、前記誘電体層を粉砕して得られた結晶粒子のX線回折パターンから求められる格子定数(a、b、c)の積で表されるユニットセル当りの体積Vpowderとの比が、Vbulk/Vpowder≧1.005の関係を満足することを特徴とするものである。この関係は磁器中の結晶粒子9が粒界層11から受ける残留応力によるものであり、結晶粒子9と粒界層11との熱膨張係数差が大きい場合に比誘電率が大きくなる。つまり、添加成分であるガラス粉末の熱膨張係数が小さいほど効果がある。一方、Vbulk/Vpowderが1.005より小さいと比誘電率の向上が抑制される。上記Vbulk/Vpowderの関係を求める場合、X線回折パターンは指数(h k l)がともに1〜
4の範囲のピークとした。例えば、h:(1 0 0)、(2 0 0)、(4 0 0)である。他のk、lについても同様とする。
The dielectric layer 5 that make up the multilayer ceramic capacitor of the present invention, the volume Vbulk per unit cell represented by the product of the lattice constant determined from X-ray diffraction pattern (a, b, c), the dielectric body layer X-ray lattice constant determined from the diffraction pattern of the crystalline particles obtained by pulverizing (a, b, c) is the ratio of the volume Vpowder per unit cell is represented by the product of, Vbulk / Vpowder ≧ 1 .005 relationship is satisfied. This relationship is due to the residual stress that the
The peak was in the range of 4. For example, h: (1 0 0), (2 0 0), (4 0 0). The same applies to the other k and l.
さらに上記した誘電体層5を構成する結晶粒子9において、格子定数比がc/a≧1の関係を満足させると、さらに高い比誘電率を得ることができる。格子定数比c/aは、誘電体層5の比誘電率を高めるという理由から1.003以上が特に好ましい。
Furthermore, in the
加えて本発明では、結晶粒子9を構成するチタン酸バリウムのバリウムをAモル、およびチタンをBモルとしたときに、バリウムとチタンのモル比が、A/B≧1、特に、粒成長を抑制するという理由からA/B≧1.003の関係を満足することが望ましく、このようにA/B比を上記のように規定することにより、結晶粒子9の粒成長を抑制でき、比誘電率の温度特性を安定化できる。
In addition, the present invention, barium A mole of barium titanate constituting the
図2は、交流インピーダンス測定を用いた誘電体層中の粒界層の抵抗の評価手法を示す模式図である。図2において、20aは試料である積層セラミックコンデンサを装着して温度制御を行う恒温槽、20bは試料に直流電圧を印加するHALT測定装置、20cは交流電源を有するインピーダンス測定装置である。図3は、交流インピーダンス測定を用いた誘電体層中の粒界層の抵抗評価結果の代表例である。 Figure 2 is a schematic diagram showing the evaluation method of the resistance of the grain boundary layer of the dielectric layer using the ac impedance measurements. In FIG. 2, 20a is a thermostatic chamber for controlling the temperature by mounting a multilayer ceramic capacitor as a sample, 20b is a HALT measuring device for applying a DC voltage to the sample, and 20c is an impedance measuring device having an AC power source. Figure 3 is a representation of the resistance evaluation results of the grain boundary layer of the dielectric layer using the ac impedance measurements.
本発明では、積層セラミックコンデンサを、誘電体層5を構成するチタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子9が示すキュリー温度よりも高い温度、および、前記積層セラミックコンデンサの定格電圧の1/3以上の電圧、の高温負荷雰囲気中に放置する。そして、前記条件の高温負荷雰囲気に放置する前と後において同じ条件にて交流インピーダンス測定での前記誘電体層5中の粒界層11の抵抗減少率を測定する。図3は、結晶粒子9のコア(中心部)、シェル(外周部)、粒界層および内部電極7と誘電体層5との界面におけるインピーダンス変化のグラフ(コールコールプロット)である。この評価では誘電体層5を図の等価回路のように、コア(中心部)、シェル(外周部)、粒界層11および内部電極層7と誘電体層5との界面の4つの成分に区別する。グラフの横軸はインピーダンス信号の実部、縦軸は虚部を示す。インピーダンスの変化を示すグラフは、加速寿命試験(HALT)前と後の違い、およびシミュレーションによるフィッティングである。本発明では、特に、粒界層11における抵抗変化に着目するものであり、その実部の変化率(負荷時間あたりの変化率)が0.5%/min.以下であることが望ましい。この評価は、例えば、加速寿命試験(HALT)前後の図3のコールコールプロットを専用ソフトによって、上記4つの成分に分けて求めることができる。ここで、高温負荷処理前後での誘電体層5中のイオンの拡散や電子の移動が大きくなり粒界層11の抵抗減少率を顕著に見ることができるという点で、温度としてはキュリー温度の1.5倍、電圧としては定格電圧の2/5V以上が好ましい。
In the present invention, a multilayer ceramic capacitor, a temperature higher than the Curie temperature of the
(製法)
次に、積層セラミックコンデンサの製法について詳細に説明する。図4は、積層セラミックコンデンサの製法を示す工程図である。
(Manufacturing method)
It will now be described in detail preparation of the product layer ceramic capacitor. Figure 4 is a process diagram showing a process of a product layer ceramic capacitor.
積層セラミックコンデンサを得るには、チタン酸バリウムを主成分とする誘電体粉末とガラス粉末との混合粉末を含有するグリーンシートと、内部電極パターンとを交互に積層して構成されたコンデンサ本体成形体を焼成する。この場合、前記誘電体粉末の平均粒径が0.2μm以下、ガラス粉末の軟化点が650℃以上、熱膨張係数が9.5×10−6/℃以下であることを特徴とする。 To obtain a product layer ceramic capacitors, and green sheets containing a powder mix of the dielectric powder and a glass powder mainly composed of barium titanate, the capacitor body molded constructed by alternately laminating the internal electrode pattern Bake the body . In this case, the dielectric powder has an average particle size of 0.2 μm or less, a glass powder has a softening point of 650 ° C. or more, and a thermal expansion coefficient of 9.5 × 10 −6 / ° C. or less.
また、上記積層セラミックコンデンサの製法では、誘電体粉末がMg、希土類元素およびMnの酸化物を被覆したものであること、チタン酸バリウム粉末におけるバリウムサイ
トをA、チタンサイトをBとしたときに、モル比で、A/B≧1の関係を満足すること、ガラス粉末の平均粒径が0.3μm以下であることが望ましい。
Further, in the production method of the laminated ceramic capacitor, the dielectric powder is Mg, it is obtained by coating an oxide of a rare earth element and Mn, when the barium site in titanate Barium Powder A, and B to titanium site in a molar ratio, satisfying the relation of a / B ≧ 1, and this average particle diameter of the glass powder is 0.3μm or less.
図4は、積層セラミックコンデンサの製法を示す工程図である。 Figure 4 is a process diagram showing a process of a product layer ceramic capacitor.
(a)工程:この製法では、まず、以下に示す原料粉末をポリビニルブチラール樹脂などの有機樹脂や、トルエンおよびアルコールなどの溶媒とともにボールミルなどを用いて混合してセラミックスラリを調製し、次いで、上記セラミックスラリをドクターブレード法やダイコータ法などのシート成形法を用いてセラミックグリーンシート21を形成する。セラミックグリーンシート21の厚みは、誘電体層5の高容量化のための薄層化、高絶縁性を維持するという点で1〜2μmが好ましい。
Step (a): In this method, firstly, a ceramic slurry was prepared raw material powder shown below and an organic resin such as polyvinyl butyral resins, and mixed by using a ball mill with a solvent such as toluene and alcohol, and then, The ceramic
用いられるチタン酸バリウム粉末(BT粉末)は、BaTiO3で表される原料粉末である。そのBT粉末は、その構成成分であるAサイト(バリウム)およびBサイト(チタン)におけるバリウムをAモル、チタンをBモルとしたときに、バリウムとチタンのモル比が、A/B≧1の関係、特に、焼成時の粒成長を抑制するという点でA/Bが1.003以上であることが望ましい。このBT粉末は、固相法、液相法(蓚酸塩を介して生成する方法を含む)、水熱合成法などから選ばれる合成法により得られたものである。このうち得られる誘電体粉末の粒度分布が狭く、結晶性が高いという理由から水熱合成法により得られた粉末が望ましい。 Use Irare Ruchi Tan barium powder (BT powder) is a raw material powder represented by BaTiO 3. The BT powder has a barium / titanium molar ratio of A / B ≧ 1 , where A mol is the barium in the A site (barium) and B site (titanium) and titanium is B mol . It is desirable that A / B is 1.003 or more from the viewpoint of suppressing the grain growth during firing. This BT powder is obtained by a synthesis method selected from a solid phase method, a liquid phase method (including a method of producing via oxalate), a hydrothermal synthesis method, and the like. Narrow particle size distribution of these obtained dielectric powder, flour powder obtained by hydrothermal synthesis because of high crystallinity is preferable.
BT粉末の粒度分布は、誘電体層5の薄層化を容易にするという点で0.2μm以下であるのがよく、特に、c/a比を高めて比誘電率を高め、かつ絶縁性を高くするという点で0.05〜0.2μmであることが望ましい。 Particle size distribution of the B T Powder may not less 0.2μm or less in terms of facilitating thinning of the dielectric layer 5, in particular, increasing the dielectric constant to increase the c / a ratio, and It is desirable that the thickness is 0.05 to 0.2 μm from the viewpoint of increasing the insulating property.
また、その結晶性は、X線回折を用いて評価したときに、例えば、正方晶を示すピークが立方晶を示すピークよりも大きいものであり、このような粉末であれば格子定数比c/aを高くできる。上記BT粉末に添加し被覆する成分は、BT粉末100質量部に対して、それぞれ、Mg=0.04〜3質量部、希土類元素=0.5〜2質量部、Mn=0.04〜0.3質量部であることが好ましい。 Further, the crystallinity of its is, when evaluated using X-ray diffraction, for example, a peak indicating the tetragonal is be greater than the peak indicating the cubic lattice constant ratio c With such a powder / A can be increased. Components of coating added to the BT powder, with respect to BT powder 100 parts by weight, respectively, Mg = 0.04-3 parts by weight, the rare earth element = 0.5 to 2 parts by weight, Mn = from .04 to 0 .3 parts by mass is preferable.
上記誘電体粉末に添加するガラス粉末は軟化点が650℃以上であるのがよい。軟化点が650℃よりも低いと焼成時にガラスの軟化流動が長時間発生し、チタン酸バリウムの粒成長は発生しやすくなる。上記理由およびガラス成分自体の軟化による凝集を抑制し、磁器中における分散性を高めるという点で、特に690℃以上が好ましい。 The glass powder added to the dielectric powder is good that the softening point of 650 ° C. or higher. When the softening point is lower than 650 ° C., the softening flow of the glass occurs for a long time during firing, and the grain growth of barium titanate tends to occur. In particular, 690 ° C. or higher is preferable in terms of suppressing aggregation due to softening of the glass component itself and enhancing dispersibility in the porcelain.
また、ガラス粉末は熱膨張係数が室温〜300℃において、9.5×10−6/℃以下であるのがよい。ガラス粉末の熱膨張係数は9.5×10−6/℃以下で効果を示すが、9×10−6/℃以下とした場合には誘電率向上効果が顕著である。さらに、上記ガラス粉末の軟化点が例えば700℃以上、さらには800℃以上と高いガラスである場合には、結晶粒子9と粒界層11の間に冷却過程でより大きな応力が付加されると共に誘電特性制御に効果的である。
Furthermore, glass powder in thermal expansion coefficient from room temperature to 300 ° C., is the better than 9.5 × 10 -6 / ℃ or less. Glass thermal expansion coefficient of the powder shows an effect at 9.5 × 10 -6 / ℃ less, is remarkable dielectric constant improvement in the case of a 9 × 10 -6 / ℃ or less. Furthermore, when the glass powder has a high softening point of, for example, 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, a larger stress is applied between the
一方、熱膨張係数が9.5×10−6/℃(室温から300℃の温度範囲)より大きいと、誘電体粉末の熱膨張係数(12.5×10−6/℃)との差が小さくなり、このため誘電体の結晶粒子9に対する応力が小さくなり比誘電率が低下する。
On the other hand, if the thermal expansion coefficient is larger than 9.5 × 10 −6 / ° C. (temperature range from room temperature to 300 ° C.), the difference from the thermal expansion coefficient of the dielectric powder (12.5 × 10 −6 / ° C.) As a result, the stress on the
また上記ガラス粉末は、平均粒径が0.3μm以下であることがチタン酸バリウム粉末との粒径差を小さくし分散性を高めるという点で望ましい。 The glass powder preferably has an average particle size of 0.3 μm or less from the viewpoint of reducing the particle size difference from the barium titanate powder and improving dispersibility.
構成成分として、SiO2、BaO、CaOおよびB2O3を主成分とするものが好ましく、その組成は、SiO2=40〜70モル%、BaO=5〜40モル%、CaO=5〜40モル%、およびB2O3=1〜30モル%であることが好ましく、軟化点を高く維持するという点でLi成分は含有しないものが好ましい。
As a component, is preferable to
また、ガラス粉末として、上記成分以外に、上記軟化点および熱膨張係数を満足するガラス粉末として、Si成分を含有しない、BaO=10〜40モル%、CaO=10〜40モル%、およびB2O3=30〜60モル%のガラスも好適に用いることができる。ガラス粉末の添加量は、BT粉末100質量部に対して、0.7〜2質量部であることが磁器の焼結性を高めるという点で好ましい。
Further, as the glass powder, in addition to the above-mentioned components, as the glass powder satisfying the above softening point and thermal expansion coefficient, does not contain a Si component, BaO = 10 to 40 mol%, CaO = 10 to 40 mol%, and B A glass having 2 O 3 = 30 to 60 mol% can also be suitably used. The addition amount of the glass powder for
BT粉末は、上述のように、バリウムとチタンのモル比(A/B比)が1以上、特に、1.003以上であることが好ましいが、このような粉末は、BT粉末の表面に炭酸バリウムなどの粉末を固着させることにより形成される。その量はBT粉末100質量部に対して、0.1〜1質量部であることが粒成長を抑制するという理由から好ましい。 As described above, the BT powder preferably has a barium / titanium molar ratio ( A / B ratio ) of 1 or more, particularly preferably 1.003 or more. However, such a powder has carbon dioxide on the surface of the BT powder. It is formed by fixing powder such as barium. The amount is preferably 0.1 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the BT powder for the reason of suppressing grain growth.
(b)工程:次に、上記得られたセラミックグリーンシート21の主面上に矩形状の内部電極パターン23を印刷して形成する。内部電極パターン23となる導体ペーストは、Ni、Cuもしくはこれらの合金粉末を主成分金属とし、これに有機バインダ、溶剤および分散剤を添加して調製する。金属粉末としては、上記誘電体粉末との同時焼成を可能にし、低コストという点でNiが好ましい。内部電極パターン23の厚みは積層セラミックコンデンサの小型化および内部電極パターン23による段差を低減するという理由から1μm以下が好ましい。
(B) Step: Next, a rectangular
なお、セラミックグリーンシート21上の内部電極パターン23による段差解消のために、内部電極パターンの周囲にセラミックパターン25を内部電極パターン23と実質的に同一厚みで形成することが好ましい。セラミックパターン25を構成するセラミック成分は、同時焼成での焼成収縮を同じにするという点で前記誘電体粉末を用いることが好ましい。
In order to eliminate steps by the
(c)工程:次に、内部電極パターン23が形成されたセラミックグリーンシート21を所望枚数重ねて、その上下に内部電極パターン23を形成していないセラミックグリーンシート21を複数枚、上下層が同じ枚数になるように重ねて、仮積層体を形成する。仮積層体中における内部電極パターンは、長寸方向に半パターンずつずらしてある。このような積層工法により、切断後の積層体の端面に内部電極パターン23が交互に露出されるように形成できる。
Step (c): Next, a desired number of ceramic
上記したように、セラミックグリーンシート21の主面に内部電極パターン23を予め形成しておいて積層する工法のほかに、セラミックグリーンシート21を一旦下層側の機材に密着させたあとに、内部電極パターン23を印刷し、乾燥させた後に、その印刷乾燥された内部電極パターン23上に、内部電極パターン23を印刷していないセラミックグリーンシート21を重ねて、仮密着させ、このようなセラミックグリーンシート21の密着と内部電極パターン23の印刷を逐次行う工法によっても形成できる。
As noted above, in addition to the method of laminating in advance form the
次に、仮積層体を上記仮積層時の温度圧力よりも高温、高圧の条件にてプレスを行い、セラミックグリーンシート21と内部電極パターン23とが強固に密着された積層体29を形成できる。
Next, the temporary laminated body is pressed under conditions of higher temperature and higher pressure than the temperature pressure during the temporary lamination to form a
次に、積層体29を、切断線hに沿って、即ち、積層体29中に形成されたセラミックパターン25の略中央を、内部電極パターン23の長寸方向に対して垂直方向(図4の(
c1)、および図4の(c2))に、内部電極パターン23の長寸方向に平行に切断して、内部電極パターンの端部が露出するようにコンデンサ本体成形体が形成される。一方、内部電極パターン23の最も幅の広い部分においては、サイドマージン部側にはこの内部電極パターンは露出されていない状態で形成される。
Next, the
In (c1) and (c2) of FIG. 4, the capacitor body molded body is formed so as to be cut parallel to the longitudinal direction of the
次に、このコンデンサ本体成形体を、所定の雰囲気下、温度条件で焼成してコンデンサ本体が形成され、場合によっては、このコンデンサ本体1の稜線部分の面取りを行うとともに、コンデンサ本体1の対向する端面から露出する内部電極層7を露出させるためにバレル研磨を施しても良い。脱脂は500℃までの温度範囲で、昇温速度が5〜20℃/h、焼成温度は最高温度が1150〜1300℃の範囲で、脱脂から最高温度までの昇温速度が200〜500℃/h、最高温度での保持時間が0.5〜4時間、最高温度から1000℃までの降温速度が200〜500℃/h、雰囲気が水素―窒素中、焼成後の熱処理(再酸化処理)最高温度が900〜1100℃、雰囲気が窒素であることが好ましい。
Next, this capacitor body molded body is fired under a predetermined atmosphere at a temperature condition to form a capacitor body. In some cases, the ridge line portion of the
次に、このコンデンサ本体1の対向する端部に、外部電極ペーストを塗布して焼付けを行い外部電極3が形成される。また、この外部電極5の表面には実装性を高めるためにメッキ膜が形成される。
Next, an external electrode paste is applied to the opposite ends of the
上記述べた本発明の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層5を構成する結晶粒子9は、一般に、焼結時に原子拡散による粒成長を起こしやすく、微小粒径の緻密な焼結体を得にくいものである。特に、用いる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。
In the multilayer ceramic capacitor of the present invention described above, the
具体的には、0.2μmより小さい微小粒子サイズの結晶粒子9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。しかるに、本発明では、微小結晶原料とともに、軟化点がより焼結温度に近く、熱膨張係数がチタン酸バリウムよりも小さい添加成分を選択し、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。また、チタン酸バリウムにおいてAサイト側の元素比を高くすると、バリウムが粒子表面に多く存在することにより、これらバリウムは、粒子表面に拡散し液相を形成する事により、焼結を促進するとともに、粒界近傍及び粒界に存在して母相であるBTの結晶粒子9間におけるBa、TiあるいはMg、Mn、希土類元素などの添加成分原子の移動を抑制し粒成長を抑制する。
Specifically, a sintered body of
この結果、結晶粒子9の表面にバリウムのほかにMg及び希土類元素が拡散固溶した結晶相が形成されることになる。即ち、Mg及び希土類元素が粒子表面に偏在したコアシェル構造が形成される。尚、このようなコアシェル構造の形成は、これらの結晶粒子9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。
As a result, a crystal phase in which Mg and rare earth elements are diffused and dissolved in addition to barium is formed on the surface of the
本発明では、まず、ガラスの軟化点と熱膨張係数の効果を確認するために誘電体粉末を直径12mm、厚み1mmのタブレット状に成形し、これを焼成して評価を行った。その結果を磁器として表1に示した。用いたチタン酸バリウム粉末(BT粉末)の平均粒径、バリウムとチタンのモル比(A/B比)、c/a比、添加量、焼成温度、ガラス組成を表1に示した。用いる誘電体粉末は、チタン酸バリウム粉末100質量部に対して、Mg、
Y、Mnが酸化物換算で、0.1、1、0.2質量部を被覆して含有させたものを用いた。ガラス成分量は、チタン酸バリウム粉末100質量部に対して1質量部とした。ここで用いるBT粉末におけるバリウムとチタンのモル比(A/B比)は1.003および1.001のものを用いた。
In the present invention, first, in order to confirm the effects of the softening point and the thermal expansion coefficient of the glass, the dielectric powder was formed into a tablet shape having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm, and this was baked for evaluation. The results are shown in Table 1 as porcelain. Table 1 shows the average particle diameter of the barium titanate powder (BT powder) used, the molar ratio of barium to titanium ( A / B ratio ) , c / a ratio, addition amount, firing temperature, and glass composition. The dielectric powder used is Mg, based on 100 parts by mass of barium titanate powder.
Y and Mn were used by covering and containing 0.1, 1, and 0.2 parts by mass in terms of oxides. The amount of the glass component was 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the barium titanate powder. The molar ratio of barium to titanium in the BT powder used here (A / B ratio) was used 1.003 and 1.001.
ガラス粉末の軟化点は、ガラス粉末をタブレット状に成形しTG−DTAを用いて測定した。熱膨張係数は、ガラス粉末をこれもタブレット状に成形し熱膨張係数測定装置を用いて室温から300℃の範囲で測定した。 The softening point of the glass powder was measured by molding the glass powder into a tablet shape and using TG-DTA. The thermal expansion coefficient was measured in the range of room temperature to 300 ° C. using a thermal expansion coefficient measuring apparatus after forming glass powder into a tablet shape.
上記誘電体粉末をジルコニアボールを用いて、溶媒としてトルエンとアルコールとの混合溶媒を添加し湿式混合した。次に、湿式混合した粉末にポリビニルブチラール樹脂およびトルエン・アルコールの混合溶媒を添加し、同じくジルコニアボールを用いて湿式混合して成形体とし比較した。 The dielectric powder was wet mixed by adding a mixed solvent of toluene and alcohol as a solvent using zirconia balls. Next, a mixed solvent of polyvinyl butyral resin and toluene / alcohol was added to the wet-mixed powder, and the mixture was wet-mixed using the same zirconia balls and compared to form a compact.
次に、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。用いたチタン酸バリウム粉末およびガラス粉末は上記磁器を調製したものを用いた。 Then, the product layer ceramic capacitor was prepared as follows. The barium titanate powder and glass powder used were prepared from the above porcelain.
この混合粉末を直径5mmのジルコニアボールを用いて、溶媒としてトルエンとアルコールとの混合溶媒を添加し湿式混合した。次に、湿式混合した粉末にポリビニルブチラール樹脂およびトルエン・アルコールの混合溶媒を添加し、同じくジルコニアボールを用いて湿式混合しセラミックスラリを調製し、ドクターブレード法により厚み2μmのセラミックグリーンシートを作製した。次に、このセラミックグリーンシートの上面にNiを主成分とする矩形状の内部電極パターンを複数形成した。 This mixed powder was wet mixed by adding a mixed solvent of toluene and alcohol as a solvent using zirconia balls having a diameter of 5 mm. Next, a mixed solvent of polyvinyl butyral resin and toluene / alcohol was added to the wet-mixed powder, and wet-mixed using the same zirconia balls to prepare a ceramic slurry, and a ceramic green sheet having a thickness of 2 μm was prepared by a doctor blade method. . Next, a plurality of rectangular internal electrode patterns mainly composed of Ni were formed on the upper surface of the ceramic green sheet.
次に、内部電極パターンを印刷したセラミックグリーンシートを100枚積層し、その上下面に内部電極パターンを印刷していない厚み5μmのセラミックグリーンシートをそれぞれ20枚積層し、プレス機を用いて温度60℃、圧力107Pa、時間10分の条件で一括積層し、所定の寸法に切断した。 Next, 100 ceramic green sheets on which the internal electrode patterns were printed were stacked, and 20 ceramic green sheets each having a thickness of 5 μm on which the internal electrode patterns were not printed were stacked on the upper and lower surfaces. The layers were laminated at a temperature of 10 ° C., a pressure of 107 Pa, and a time of 10 minutes, and cut into predetermined dimensions.
次に、上記粉末から形成した成形体および積層成形体を10℃/hの昇温速度で大気中で300℃/h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、水素―窒素中、1140〜1300℃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、コンデンサ本体を作製した。このコンデンサ本体の大きさは2×1×1mm3、誘電体層の厚みは1.5μmであった。 Next, the molded body and the laminated molded body formed from the powder are subjected to binder removal treatment at 300 ° C./h in the air at a temperature rising rate of 10 ° C./h, and the temperature rising rate from 500 ° C. is 300 ° C./h. calcination at 1140 to 1300 ° C. in hydrogen-nitrogen for 2 hours at a temperature increase rate of h, followed by cooling to 1000 ° C. at a temperature decrease rate of 300 ° C./h and reoxidation treatment at 1000 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Then, it was cooled at a temperature decreasing rate of 300 ° C./h to produce a capacitor body. The size of the capacitor body was 2 × 1 × 1 mm 3 and the thickness of the dielectric layer was 1.5 μm.
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℃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。この積層セラミックコンデンサの誘電体層厚みは1.5μmであった。 Next, after the sintered electronic component body was barrel-polished, an external electrode paste containing Cu powder and glass was applied to both ends of the electronic component body, and baked at 850 ° C. to form external electrodes. Thereafter, using an electrolytic barrel machine, Ni plating and Sn plating were sequentially performed on the surface of the external electrode to produce a multilayer ceramic capacitor. The thickness of the dielectric layer of this multilayer ceramic capacitor was 1.5 μm.
次に、これらの積層セラミックコンデンサについて以下の評価を行った。本発明にかかる誘電体層を構成する結晶粒子における希土類元素(Y)は粒子表面である粒界層を最高濃度として結晶粒子表面から粒子内部にかけての濃度勾配が0.7原子%/nm以上であった。 Next, the following evaluation was performed on these multilayer ceramic capacitors. Rare earth elements in crystal grains that make up the dielectric layer of the present invention (Y) is the concentration gradient of 0.7 atomic% from the crystal grain surface a grain boundary layer is a particle surface as the highest concentration toward inside of the grain / nm That was all.
単位格子体積比率は、作製したコンデンサ本体を30個集めて全ての試料を2分割し、試料台に集めてセットしX線回折装置を用いて測定した。次に、このコンデンサ本体を誘電体層の粉砕物の平均粒径がせいぜい1μm以下になるように粉砕したものを、同じよう
にして測定した。
The unit cell volume ratio was measured using an X-ray diffractometer by collecting 30 capacitor bodies prepared, dividing all samples into two, collecting and setting them on a sample stage. Next, the capacitor body was pulverized so that the average particle size of the pulverized dielectric layer was 1 μm or less, and measured in the same manner.
静電容量および比誘電率ならびに比誘電率の温度特性は、周波数1.0kHz、測定電圧0.5Vrmsの測定条件で行った。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結晶粒子の平均粒径は走査型電子顕微鏡(SEM)により求めた。研磨面をエッチングし、電子顕微鏡写真内の結晶粒子を任意に20個選択し、インターセプト法により各結晶粒子の最大径を求め、それらの平均値(D50)を求めた。 The temperature characteristics of the capacitance, relative permittivity, and relative permittivity were measured under the measurement conditions of a frequency of 1.0 kHz and a measurement voltage of 0.5 Vrms. The relative dielectric constant was calculated from the capacitance, the effective area of the internal electrode layer, and the thickness of the dielectric layer. The average particle size of the crystal particles constituting the dielectric layer was determined by a scanning electron microscope (SEM). The polished surface was etched, 20 crystal particles in the electron micrograph were arbitrarily selected, the maximum diameter of each crystal particle was determined by the intercept method, and the average value (D50) was determined.
粒界層の評価としては、上記交流インピーダンス法を用いて別途測定した。この場合の高温負荷条件としては、温度250℃、積層セラミックコンデンサの外部電極に印加する電圧は3Vとした。測定時の電圧は0.1V、周波数は10mHz〜10kHzの間、その処理前後における交流インピーダンスを試料数30個について評価した。 As the evaluation of the grain boundary layer , it was separately measured using the AC impedance method. As high temperature load conditions in this case, the temperature was 250 ° C., and the voltage applied to the external electrode of the multilayer ceramic capacitor was 3V. The voltage during measurement was 0.1 V, the frequency was 10 mHz to 10 kHz, and the AC impedance before and after the treatment was evaluated for 30 samples.
比較例として、ガラス粉末の軟化点が650℃より低く、熱膨張係数が9.5×10−6/℃よりも大きいものを用いて上記と同じ製法により作製した。結果を表1〜4に示す。
表1〜4の結果から明らかなように、本発明の試料では、単位格子体積比率が1.0059以上となり、比誘電率が2010以上、比誘電率の変化率が−19.8〜+14.5%であった。また、同じガラス粉末を用いても、BT粉末のA/B比が大きいと比誘電率の温度特性が小さくなり、c/aが大きいと比誘電率が向上した。 As is apparent from the results of Tables 1 to 4, in the sample of the present invention, the unit cell volume ratio is 1.0059 or more, the relative dielectric constant is 2010 or more, and the change rate of the relative dielectric constant is −19.8 to +14. It was 5%. Even when the same glass powder was used, the temperature characteristic of the dielectric constant decreased when the A / B ratio of the BT powder was large, and the relative dielectric constant was improved when c / a was large.
これに対して、本発明の試料を作製するのに用いたガラス粉末に対して範囲外のガラス粉末の場合には、単位格子体積比率が1.0039以下となり、比誘電率が2000よりも低いか、または比誘電率の温度特性が低温側で−21%以上と大きかった。 In contrast, in the case of a glass powder that is out of range with respect to the glass powder used to prepare the sample of the present invention, the unit cell volume ratio is 1.0039 or less and the relative dielectric constant is lower than 2000. Or the temperature characteristic of the relative permittivity was as large as −21% or more on the low temperature side.
また、本発明の試料となっている積層セラミックコンデンサでは、単位格子体積比率が
1.0056以上となり、比誘電率が3030以上、温度特性が−55℃で−12.4%以内、85℃で6.7%以内を示し、温度特性が良好であり、交流インピーダンスの変化率が−0.43%以下であった。
In the multilayer ceramic capacitor as the sample of the present invention, the unit cell volume ratio is 1.0056 or more, the relative dielectric constant is 3030 or more, the temperature characteristic is −55 ° C. within −12.4%, and 85 ° C. It was within 6.7%, the temperature characteristics were good, and the rate of change in AC impedance was -0.43 % or less.
これに対して、ガラス粉末の軟化点が650℃より低く、熱膨張係数が9.5×10−6/℃よりも大きいものを用いて形成した誘電体層を具備する積層セラミックコンデンサでは、単位格子体積比率が1.0048以下となり、本発明の試料となっている積層セラミックコンデンサよりも比誘電率が低く、また比誘電率の温度特性が大きかった。 In contrast, in a multilayer ceramic capacitor having a dielectric layer formed using a glass powder having a softening point lower than 650 ° C. and a thermal expansion coefficient larger than 9.5 × 10 −6 / ° C., the unit The lattice volume ratio was 1.0048 or less, and the relative dielectric constant was lower than that of the multilayer ceramic capacitor as the sample of the present invention, and the temperature characteristics of the relative dielectric constant were large.
1 コンデンサ本体
3 外部電極
5 誘電体層
7 内部電極層
9 結晶粒子
21 セラミックグリーンシート
23 内部電極パターン
25 セラミックパターン
29 積層体
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