JP4617691B2

JP4617691B2 - 積層セラミック電子部品の製造方法

Info

Publication number: JP4617691B2
Application number: JP2004089932A
Authority: JP
Inventors: 信幸小泉; 靖司上野; 宏之松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005277198A

Description

この発明は積層セラミック電子部品の製造方法に関し、特にたとえば積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品を製造する積層セラミック電子部品の製造方法に関する。

従来、積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品は、一般に、セラミック原料およびバインダを含むセラミックスラリからなるセラミックグリーンシートを形成し、セラミックグリーンシートに導電ペーストを塗布して内部電極パターンを形成した後、複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、圧着し、所定の大きさに切断してから焼成して一体化することなどによって製造される。
このような積層セラミック電子部品の製造方法の一例として、内部電極が所望の位置に正確に配置された積層体チップを確実に得ることを課題とし、複数の内部電極パターンが形成された複数枚のセラミックグリーンシートなどを積層してマザーの積層体を得る工程と、マザーの積層体を厚み方向に加圧する加圧工程と、加圧されたマザーの積層体を個々の積層体チップに切断する切断工程とを備える積層セラミックコンデンサの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−７８７２４号公報

上述のようにして製造される積層セラミックコンデンサは、近年のエレクトロニクス技術の発展にともない、小型化および大容量化の要求が強くなっている。積層セラミックコンデンサの小型化および大容量化の進展にともない、積層セラミックコンデンサの内部電極間のセラミックの厚みは、薄層化が進み、３μｍ以下の厚みのものが商品化されるようになり、また、積層枚数も３００枚を超える場合がある。
このような積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品では、セラミックグリーンシートの薄層化により、セラミックグリーンシートにピンホールが発生しやすくなり、ピンホールの発生は、ショート不良や、信頼性の低下の原因となる。ピンホールを抑制する手段として、セラミック原料の微粉化や、セラミックグリーンシートに添加するバインダの量の増加などが試みられている。
また、セラミックグリーンシートが薄くなることでセラミックグリーンシートの強度が低下するため、薄層化による積層加工可能なセラミックグリーンシートの強度を得るためにも、セラミックグリーンシートにバインダを多く添加することが必要となる。
このようにセラミック原料が微粉化しバインダの添加量が増加すると、セラミックグリーンシートの物理的な特性に、バインダの添加量の及ぼす特性が顕著となる。そのため、セラミックグリーンシートの温度変化に対する収縮率は、添加するバインダの量が増加すると大きくなる傾向がある。
特許文献１に開示されている積層セラミックコンデンサの製造方法では、内部電極を所望の位置に正確に配置するために、加圧（圧着）工程について着目されているが、切断時の加熱温度や、加圧工程と切断工程との温度関係については全く考慮されていないので、加圧時に対する切断時の積層体の寸法の変化が大きく、積層体の寸法の変化とともに積層体内の内部電極パターンの位置も変化し、内部電極パターン形成時に直線に並んでいた位置に歪みが生じてしまう場合がある。すなわち、特許文献１に開示されている積層セラミックコンデンサの製造方法では、圧着後までは積層体内の各内部電極パターンがほぼ真直ぐに並んでいても、圧着後の積層体を圧着工程における温度を考慮しない温度で切断することにより、そのような歪みを導入してしまっている。
この歪みのため、押切による積層体の切断時に、切断面に直交する縦方向および横方向において内部電極パターンの周囲のギャップ寸法のばらつきが大きくなり、切断後の積層体において、内部電極パターンの周囲のギャップ寸法が必要以上に狭い箇所が生じ、製造された積層セラミックコンデンサにおいて、内部電極の周囲のギャップ寸法が必要以上に狭い箇所が生じてしまう場合がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、内部電極の位置の歪みを抑制した積層セラミック電子部品を製造することができる、積層セラミック電子部品の製造方法を提供することである。

この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法は、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを含む複数のセラミックグリーンシートを積層して積層体を形成する工程と、積層体をセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度に加熱しながら圧着する圧着工程と、圧着工程で圧着された積層体を所定の大きさに切断する切断工程とを備え、圧着工程および切断工程はそれぞれ１回ずつ行われ、切断工程において積層体を切断する際に、セラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度となりかつ圧着工程における積層体の圧着時の温度の±５℃以内の温度となるように積層体を加熱する、積層セラミック電子部品の製造方法である。
この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法では、切断工程において積層体を切断する際に、圧着工程における積層体の圧着時の温度と同一の温度となるように積層体を加熱することが好ましい。

この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法では、切断工程において積層体を切断する際に、セラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度となりかつ圧着工程における積層体の圧着時の温度の±５℃以内の温度となるように積層体を加熱するので、圧着時に対する切断時の積層体の熱による変形量を小さくすることができ、内部電極パターンの位置の歪みを生じにくくすることができる。このように内部電極パターンの位置の歪みを生じにくくすることにより、製造される積層セラミック電子部品において内部電極の位置の歪みを抑制することができる。
さらに、この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法では、切断工程において積層体を切断する際に、積層体をセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度に加熱するので、積層体が軟化し、積層体の抵抗によるグリーンシート間でのはがれなどの構造欠陥を防止することができ、製造される積層セラミック電子部品の構造欠陥も防止することができる。

この発明によれば、内部電極の位置の歪みを抑制した積層セラミック電子部品を製造することができる。そのため、この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法を使用すれば、内部電極パターンの位置の歪みを生じにくくすることで、切断面に直交する方向において内部電極パターンのギャップ寸法を狭くすることができ、製造される積層セラミック電子部品がたとえば積層セラミックコンデンサの場合、内部電極の有効面積の増加により静電容量の増加あるいは内部電極パターンを形成したセラミックグリーンシートの削減による低コスト化が可能となる。
さらに、この発明によれば、切断工程において積層体を切断する際に積層体が軟化するので、積層体や積層セラミック電子部品においてはがれなどの構造欠陥を防止することができる。
また、この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法では、切断工程において積層体を切断する際に、圧着工程における積層体の圧着時の温度と同一の温度となるように積層体を加熱するようにすれば、積層体を加熱する温度の設定が容易となる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

図１はこの発明が適用される積層セラミックコンデンサの一例を示す図解図である。図１に示す積層セラミックコンデンサ１０は、直方体状のセラミック素子１２を含む。セラミック素子１２は、誘電体からなる多数のセラミック層１４を含む。これらのセラミック層１４は積層される。セラミック層１４間には、Ｎｉを用いた内部電極１６ａおよび１６ｂが交互に形成される。この場合、内部電極１６ａは一端部がセラミック素子１２の一端部に延びて形成され、内部電極１６ｂは一端部がセラミック素子１２の他端部に延びて形成される。また、内部電極１６ａおよび１６ｂは、中間部および他端部がセラミック層１４を介して重なり合うように形成される。したがって、このセラミック素子１２は、内部にセラミック層１４を介して複数の内部電極１６ａおよび１６ｂが設けられた積層構造を有する積層型のセラミック素子である。

セラミック素子１２の一端面には、Ｃｕを用いた外部電極１８ａが内部電極１６ａに接続されるように形成される。同様に、セラミック素子１２の他端面には、Ｃｕを用いた外部電極１８ｂが内部電極１６ｂに接続されるように形成される。

また、外部電極１８ａおよび１８ｂの表面には、はんだ食われを防止するためにＮｉを用いた第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂがそれぞれ形成される。さらに、第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂの表面には、はんだ付け性をよくするためにＳｎを用いた第２のめっき膜２２ａおよび２２ｂがそれぞれ形成される。

本願発明は、図１に示す積層セラミックコンデンサ１０だけでなく、図１に示す積層セラミックコンデンサ１０において第１のめっき膜２０ａ，２０ｂおよび第２のめっき膜２２ａ，２２ｂが形成されていない積層セラミックコンデンサにも適用される。

次の実験例では、図１に示す積層セラミックコンデンサ１０の製造方法について説明する。

（実験例）
まず、出発原料として、ＢａＴｉＯ₃ 、希土類酸化物、Ｃｏ₂ Ｏ₃ 、ＢａＣＯ₃ 、ＭｇＯ、ＮｉＯおよびＭｎＣＯ₃ と、ＢａＯ−ＳｒＯ−ＬｉＯ−ＳｉＯ₂ を主成分とする酸化物ガラスとを準備した。

これらの原料を、目的とするセラミック原料としての非還元性誘電体磁器組成物からＢａＴｉＯ₃ および酸化物ガラスを除いた組成となるように秤量して、秤量物を得た。次に、この秤量物を部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）製のボールを用いたボールミルで湿式混合し、水分を蒸発乾燥した後、１０００℃で仮焼して、仮焼物を得た。

この仮焼物を再びＰＳＺ製のボールを用いたボールミルで十分に湿式混合し粉砕して、粉砕物を得た。この粉砕物の水分を蒸発乾燥した後、それにＢａＴｉＯ₃ および酸化物ガラスを添加して、非還元性誘電体磁器組成物を得た。この非還元性誘電体磁器組成物に分散媒を添加し、ＰＳＺ製のボールを用いたボールミルで混合することによって、原料スラリを調整した。次に、この原料スラリに有機系のバインダ（軟化点７０℃）および可塑剤を添加してセラミックスラリとした後、そのセラミックスラリをドクターブレード法によってシート状に成形して、セラミックグリーンシートを多数形成した。

次に、上述のようにして形成されたセラミックグリーンシートの所定のものの一面に、有機ビヒクルにＮｉ粉末を混合した内部電極形成用の導電ペーストを、ギャップ寸法が１８０μｍに設計された印刷パターンを使用して印刷することによって、内部電極パターンを形成し、内部電極パターンを乾燥した。

その後、内部電極パターンが形成されたものを含む２５０枚のセラミックグリーンシートを、金型内で、厚み方向に１枚ごとに圧力を１秒間加えながら順次積層することによって、積層体を形成した。

そして、金型内で積層体の上側に厚み０．２ｍｍの弾性体を設置し、セラミックグリーンシートの軟化する７０℃〜８５℃の高温状態で、セラミックグリーンシートの厚み方向に１００ＭＰａの圧力を１分間印加して、積層体を圧着した。表１には、試料番号１〜３０について、積層体を圧着する際に高温状態に加熱する温度を「圧着温度（℃）」で示した。

次に、圧着された積層体を、６０℃〜１００℃の加熱状態で押切により、２．０ｍｍ×１．２５ｍｍ×１．２５ｍｍの大きさとなるように切断して、未焼成素子（チップ）を形成した。表１には、試料番号１〜３０について、積層体を切断する際に加熱する温度を「切断温度（℃）」で示した。

形成された未焼成素子について、切断された端面から観察した場合の幅方向における内部電極ペーストの周囲のギャップ寸法が１００μｍを超えるものと１００μｍ以下のものとに選別し、そのギャップ寸法が１００μｍ以下のものを切断不良チップとした。表１には、資料番号１〜３０について、１００００個ずつの未焼成素子における切断不良率を示した。また、切断不良チップについて、最小ギャップ寸法を測定し、それを表１に示した。

上述のようにして形成された未焼成素子を空気中において３００℃で５時間保持の条件で脱脂を行った。その後、未焼成素子を２００℃／時間の速度で１．０×１０^-7ＭＰａ以下の酸素分圧中で昇温し、１３００℃の温度で１．０×１０^-11 ＭＰａの酸素分圧中で所定の時間保持した後、室温まで２００℃／時間の速度で１．０×１０^-7ＭＰａ以下の酸素分圧中で降温して、セラミック素子１２を形成した。形成されたセラミック素子１２の両端面にＣｕペーストを塗布し、８００℃の温度で焼き付けることにより、外部電極１８ａおよび１８ｂを形成した。そして、外部電極１８ａおよび１８ｂの表面には、めっき液中でＮｉをめっきすることによって、第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂをそれぞれ形成した。それから、第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂの表面には、めっき液中でＳｎをめっきすることによって、第２のめっき膜２２ａおよび２２ｂをそれぞれ形成した。それによって、積層セラミックコンデンサ１０を製造した。

上述のようにして製造された積層セラミックコンデンサ（試料）について、超音波探傷試験と、耐湿負荷試験とにより構造的な欠陥の確認を行った。
なお、超音波探傷試験については、超音波探傷機で１００００個の試料の構造的な欠陥を評価した。
また、耐湿負荷試験については、１０００個の試料を１２０℃、９５％Ｒｈ、３ｋＶ／ｍｍの条件で加速的に試験したときに、１００時間経過するまでに抵抗値が１ＭΩ以下となった試料を不良品とした。
以上の結果も表１に示す。

表１に示す結果より、試料番号１、５〜１０、１４〜１８、２２〜２６、３０のように、積層体の圧着温度または切断温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度であっても、切断温度が圧着温度の±５℃以内の温度とならないときには、圧着時に対する切断時の積層体の熱による変形量が大きく、内部電極パターンの位置の歪みを生じ、積層体の切断不良を起こしやすく、信頼性が低いことが分かる。また、積層体の熱による変形は、全体が全く均一に行われるわけではないので、伸びの大きい部分と小さい部分が隣り合えば、応力が発生し、構造欠陥の誘因となる。この構造欠陥は、外部からの水分などの浸入経路にもなり得るので、信頼性も低下する。
また、表１に示す結果より、試料番号１、２、９、１０、１７、２４のように、積層体の圧着温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度であっても、積層体の切断温度がそのバインダの軟化点より低い温度のときには、積層体を切断する抵抗が大きく積層体の端面においてはがれが発生し、製造される積層セラミックコンデンサについて、超音波探傷試験による不良すなわち構造欠陥が生じ、信頼性が低いことが分かる。
さらに、表１に示す結果より、試料番号１、７〜９、１６、１７、２３、２４、３０のように、積層体の圧着温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度であっても、積層体の切断温度が圧着温度から±１０℃以上というように大きく離れた温度のときには、製造される積層セラミックコンデンサについて、耐湿負荷試験による不良すなわち外部からの水分などの浸入経路にもなり得る構造欠陥が生じ、信頼性が低いことが分かる。

それに対して、表１に示す結果より、本願発明にかかる試料番号３、４、１１〜１３、１９〜２１、２７〜２９のように、積層体の圧着温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度であるとともに、積層体の切断温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度でありかつ圧着温度の±５℃以内の温度であるときには、積層体の切断不良や製造される積層セラミックコンデンサについての構造欠陥がなく信頼性が高いことが分かる。
このように本願発明にかかる試料番号３、４、１１〜１３、１９〜２１、２７〜２９において、積層体の切断不良や製造される積層セラミックコンデンサについての構造欠陥がなく信頼性が高いのは、積層体の圧着温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度であるとともに、積層体の切断温度がセラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度でありかつ圧着温度の±５℃以内の温度であるので、積層体の圧着時および切断時において積層体が軟化するとともに、圧着時に対する切断時の積層体の熱による変形量が小さくなり内部電極パターンの位置の歪みが生じにくくなるからである。

さらに、本願発明にかかる試料番号３、１２、２０、２８のように、積層体の切断温度が積層体の圧着温度と同一の温度であるときには、積層体を加熱する温度の設定が容易となる。

なお、上述の実験例ではセラミックグリーンシート中のバインダとして有機系のバインダ（軟化点７０℃）が用いられているが、この発明では、セラミックグリーンシート中のバインダとしては、軟化点が７０℃または他の温度である他の材料からなるバインダが用いられてもよい。この場合、セラミックグリーンシートおよび内部電極パターンを含む積層体を圧着したり切断したりする際に積層体を加熱する温度は、そのバインダの軟化点に基づいて決定すればよい。

また、上述の実験例では、積層セラミックコンデンサ１０の外部電極１８ａおよび１８ｂの表面に、めっき液中でＮｉをめっきすることによって、第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂがそれぞれ形成され、さらに、第１のめっき膜２０ａおよび２０ｂの表面に、めっき液中でＳｎをめっきすることによって、第２のめっき膜２２ａおよび２２ｂがそれぞれ形成されているが、外部電極１８ａおよび１８ｂの表面には、めっき膜が形成されなくてもよい。

さらに、上述の実験例では、セラミック原料にＢａＴｉＯ₃ などが用いられ、内部電極にＮｉが用いられ、外部電極にＣｕが用いられ、第１のめっき膜にＮｉが用いられ、第２のめっき膜にＳｎが用いられるが、この発明では、それらには他の材料が用いられてもよい。たとえば、外部電極には、Ｃｕ以外の金属が用いられてもよい。

また、この発明は、外部電極の表面に１層または３層以上のめっき膜を有する積層セラミックコンデンサにも適用され得る。

さらに、上述の実験例などでは積層セラミックコンデンサの製造方法を例にとって説明したが、この発明は、積層セラミックコンデンサの他に、積層セラミックバリスタ、積層セラミックインダクタ、積層セラミックサーミスタなど、バインダを含むセラミックグリーンシートや内部電極パターンとなる導電ペーストなどから製造される種々の積層セラミック電子部品の製造方法に適用することが可能である。

また、上述の実験例では複数の内部電極が用いられているが、積層セラミックコンデンサ、積層セラミックバリスタ、積層セラミックサーミスタにおいては２枚以上の内部電極が用いられてもよく、また、積層セラミックインダクタにおいては１枚以上の内部電極が用いられてもよい。

さらに、上述の実験例では、セラミックグリーンシートや積層体を搬送する治具を加熱することにより、直前の工程の温度を保持したが、たとえば、圧着工程と切断工程のように、同じ所で行うことが可能な工程間については、同じ所で直前の工程の温度を保持したまま、次の工程に移行するようにしてもよい。

この発明にかかる積層セラミック電子部品の製造方法は、たとえば積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品の製造方法に適用できる。

この発明が適用される積層セラミックコンデンサの一例を示す図解図である。

符号の説明

１０積層セラミックコンデンサ
１２セラミック素子
１４セラミック層
１６ａ、１６ｂ内部電極
１８ａ、１８ｂ外部電極
２０ａ、２０ｂ第１のめっき膜
２２ａ、２２ｂ第２のめっき膜

Claims

内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを含む複数のセラミックグリーンシートを積層して積層体を形成する工程、
前記積層体を前記セラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度に加熱しながら圧着する圧着工程、および
前記圧着工程で圧着された前記積層体を所定の大きさに切断する切断工程を備え、
前記圧着工程および前記切断工程はそれぞれ１回ずつ行われ、
前記切断工程において前記積層体を切断する際に、前記セラミックグリーンシート中のバインダの軟化点以上の温度となりかつ前記圧着工程における前記積層体の圧着時の温度の±５℃以内の温度となるように前記積層体を加熱する、積層セラミック電子部品の製造方法。
前記切断工程において前記積層体を切断する際に、前記圧着工程における前記積層体の圧着時の温度と同一の温度となるように前記積層体を加熱する、請求項１に記載の積層セラミック電子部品の製造方法。