JP4670164B2

JP4670164B2 - 外部電極用銅ペースト組成物及びこれを用いた積層セラミックコンデンサー

Info

Publication number: JP4670164B2
Application number: JP2001079787A
Authority: JP
Inventors: 直希石山
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002280248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部電極用銅ペースト組成物及びこれを用いた積層セラミックコンデンサーに関し、さらに詳しくは、有機ビヒクルの分解、燃焼を促進するためにバーンアウトゾーンの酸素濃度を高く設定した場合にも、積層体との接着強度に優れ、かつ内部電極との接続性にも優れた外部電極を与えることのできる外部電極用銅ペースト組成物、及びこれを用いて形成された外部電極を具備してなる、信頼性に優れ、かつ静電容量等の電気特性にも優れた積層セラミックコンデンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層セラミックコンデンサーは、誘電体と内部電極が交互に重なった積層体の両端面に外部電極が取り付けられた構造からなり、誘電体としてはチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム等のペロブスカイト型酸化物が用いられ、内部電極としては、従来、パラジウムや銀―パラジウムといった貴金属材料が使用されてきたが、近年、コストダウンのためにニッケル、銅等の卑金属材料が用いられ始めている。
【０００３】
通常、積層セラミックコンデンサーは、次のようにして作製される。まず、誘電体粉末と有機ビヒクルとを混合し、ドクターブレード法により支持体上にシート状の成形体（誘電体グリーンシート）を形成する。次に、誘電体グリーンシート上に内部電極用ペーストをスクリーン印刷法にて転写、乾燥させ、内部電極層を形成する。次いで、内部電極層が形成された誘電体グリーンシートを所定枚数重ねて加熱圧着し、積層体（グリーンシート）を形成する。得られた積層体（グリーンシート）を電気炉（通常はベルト炉）に装入し、酸化性雰囲気中で有機ビヒクルを分解、燃焼させた後、所定の雰囲気中で焼成を行なって焼結体を得る。なお、内部電極に卑金属材料を用いた場合は、ニッケル、銅等の酸化を防止するため、中性〜還元性雰囲気中で焼成を行なう必要がある。
【０００４】
次に、上記焼結体の両端面をバレル研磨にて研磨し、内部電極を露出させて積層セラミックコンデンサー素体とした後、研磨された端面に外部電極用銅ペーストを塗布し、乾燥させる。この焼結体を電気炉（通常はベルト炉）に装入し、所定の雰囲気中９００℃程度で焼成、有機ビヒクルの分解、燃焼と外部電極の焼結を連続して行なって外部電極を形成する。この場合も、焼成は、外部電極銅ペーストの導電成分である銅が酸化されないように、中性雰囲気中、通常は窒素雰囲気中で行ない、焼結を完了させる必要がある。
さらに、焼結体の両端面に形成された外部電極の表面に、はんだ付け性を向上させるためのニッケル又は錫メッキを施すことにより、積層セラミックコンデンサーを作製する。
【０００５】
上記外部電極用銅ペーストは、導電成分である銅粉末、ガラス質フリット、有機ビヒクル等から構成され、通常は、導電粉末、ガラス質フリット、有機ビヒクル（希釈溶剤を加えて適度な粘性に調整）をミキサーで混合した後、ロールミル等で混練して作製される。
【０００６】
ところで、外部電極用銅ペーストは、上述のように、電気炉（通常はベルト炉）において焼成されるが、有機ビヒクルの分解、燃焼を促進するためには、焼成プロファイルの前半部にバーンアウトゾーンを設け、このゾーンの酸素濃度を例えば２００ｐｐｍ以上に設定して焼成を行なう必要がある。しかしながら、バーンアウトゾーンの酸素濃度を高く設定して焼成を行なうと、焼成途中に銅が一部酸化され、銅と内部電極のニッケルとの合金化が不十分となる。この結果、内部電極と外部電極との接続性が不良となり、静電容量等、コンデンサーの電気特性が低下するという問題が発生する。
【０００７】
逆に、銅の酸化を抑制するために、バーンアウトゾーンの酸素濃度を低く、例えば５０ｐｐｍ以下に設定して焼成を行なうと、有機ビヒクルの分解、燃焼が不十分となり、銅粒子の表面等に有機物（カーボン）が残留するため、銅の焼結が不十分となる。この結果、外部電極はポーラスな構造となり、ニッケルメッキを施す際にメッキ液が外部電極内部に侵入するため、はんだ付け性が悪化するとともに、積層体と外部電極との接着強度が低下し、コンデンサーの信頼性が低下するという問題が発生する。
【０００８】
上記の理由から、外部電極用銅ペーストを焼成する際は、焼成雰囲気中の酸素濃度を厳密に管理する必要があるが、例え酸素濃度を厳密に管理したとしても、有機ビヒクルを充分に燃焼させ、同時に銅の酸化を充分に抑制することは極めて困難であった。
【０００９】
このため、従来のようにバーンアウトゾーンの酸素濃度を厳密に管理する必要がなく、酸素濃度を高く設定した場合にも、銅の酸化の影響を受けずに、積層体との接着強度に優れ、かつ内部電極との接続性にも優れた外部電極、換言すれば、信頼性に優れ、静電容量等の電気特性にも優れた積層セラミックコンデンサーを与える外部電極用銅ペーストが求められていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑み、従来のようにバーンアウトゾーンの酸素濃度を厳密に管理する必要がなく、酸素濃度を高く設定した場合にも、積層体との接着強度に優れ、かつ内部電極との接続性にも優れた外部電極を与えることのできる外部電極用銅ペースト組成物、及びこれを用いて形成される外部電極を具備してなる、信頼性に優れ、かつ静電容量等の電気特性にも優れた積層セラミックコンデンサーを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究した結果、導電成分である銅粉末（Ａ）とガラス質フリット（Ｂ）と有機ビヒクル（Ｃ）とを含有する外部電極用銅ペーストに、さらに、酸化亜鉛を特定の割合で含有するホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）を添加することにより、上記課題が達成されることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１２】
即ち、本発明の第１の発明によれば、銅粉末（Ａ）と軟化点が６００〜８００℃であるホウ珪酸ガラス又はホウ珪酸バリウムガラスから選ばれるガラス質フリット（Ｂ）と有機ビヒクル（Ｃ）とを含有し、かつガラス質フリット（Ｂ）の含有量が銅粉末（Ａ）１００重量部に対して４．３〜１４重量部である外部電極用銅ペーストに、さらに、酸化亜鉛を３５〜５５ｗｔ％含有し、軟化点が６００℃以下であるホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）を、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して０．１〜３．０重量部の割合で添加してなり、ピーク温度９００℃、バーンアウトゾーンの酸素濃度２００〜４００ｐｐｍ、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成して評価したとき、外部電極部分にメッキ液の浸入がないことを特徴とする外部電極用銅ペースト組成物が提供される。
【００１５】
さらに、本発明の第２の発明によれば、第１の発明の外部電極用銅ペースト組成物を用いて形成される外部電極を具備してなる積層セラミックコンデンサーが提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
１．銅粉末（Ａ）
本発明に用いる銅粉末（Ａ）としては、製造法に限定されず、湿式沈殿法、乾式法等により得られた銅粉末が使用でき、また、形状にも制限されず、球状、フレーク状のものを１種又は１種以上を混合して使用できる。
【００１８】
また、銅粉末（Ａ）の粒径としては、球状銅粉末は平均粒径が１〜４μｍ、フレーク状粉末は扁平長平均粒径が３〜１５μｍのものを用いることが好ましい。銅粒子の平均粒径が１μｍ未満では、銅の焼結が進み過ぎて焼結収縮が大きくなり、外部電極のエッジ部に切れが生じる恐れがある。一方、平均粒径が１５μｍを超えると、銅の焼結が遅くなり過ぎて十分に進行せず、焼成面にポアが生じるため、後のメッキ工程でメッキ液の電極内への侵入を引き起こす恐れがある。
なお、銅粉末は、粒径が小さくなるにつれて焼結収縮開始温度が低くなる傾向があるため、外部電極用銅ペーストの焼成温度に応じて、銅粉末の粒径、球状粒子とフレーク状粒子の混合比を最適化することが好ましい。
【００１９】
２．ガラス質フリット（Ｂ）
本発明に用いるガラス質フリット（Ｂ）は、軟化点が６００〜８００℃であるホウ珪酸ガラス又はホウ珪酸バリウムガラスから選ばれるガラス質フリットである。具体的には、外部電極用銅ペーストに一般的に使用されている、例えば、平均粒径１〜６μｍで軟化点が６００〜８００℃のホウ珪酸ガラス（ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系）、ホウ珪酸バリウムガラス（ＢａＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系）等の無鉛ガラス質フリットが使用できる。
また、ガラス質フリット（Ｂ）の添加量としては、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して４．３〜１４重量部が好ましい。添加量が４．３重量部未満では、積層体と外部電極との接着強度が低くなり、積層セラミックコンデンサーとしての信頼性が低下する。一方、添加量が１４重量部を超えると、焼成後の外部電極の表面にガラス浮きが生じ、メッキ付き性が悪くなる。
【００２０】
３．有機ビヒクル（Ｃ）
本発明に用いる有機ビヒクル（Ｃ）としては、特に制限されず、外部電極用銅ペーストに一般的に使用されているもの、例えば、樹脂成分としてはアクリル樹脂、エチルセルロース等のセルロース樹脂を、溶剤としてはターピネオール、ブチルカルビトール等を、１種又は１種以上を混合して使用できる。
有機ビヒクル（Ｃ）の使用量としては、外部電極用銅ペーストに適度の粘性、塗布性が得られればよく、例えば、銅粉末１００重量部に対して１〜５０重量部が使用される。
【００２１】
４．ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）
本発明においては、外部電極用銅ペーストに酸化亜鉛を３５〜５５ｗｔ％含有し、軟化点が６００℃以下であるホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）を、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して０．１〜３．０重量部の割合で添加してなり、ピーク温度９００℃、バーンアウトゾーンの酸素濃度２００〜４００ｐｐｍ、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成して評価したとき、外部電極部分にメッキ液の浸入がないことを特徴とする。
【００２２】
上記のように、外部電極用銅ペーストの焼成においては、有機ビヒクルの分解、燃焼を促進して緻密な外部電極を得るために、バーンアウトゾーンの酸素濃度を２００ｐｐｍ以上に設定する必要があるが、高い酸素濃度に設定すると、約６００℃付近で外部電極用銅ペースト中の銅が酸化第一銅（Ｃｕ_２Ｏ）等に酸化される。一方、有機ビヒクルは、バーンアウトゾーンに導入された酸素によって分解、燃焼が進むものの、ガラス質フリット等の微細粒子に吸着された有機物は、かかる温度では完全には分解、燃焼せずに残留チャー（煤、カーボン）として残される。
【００２３】
ところが、本発明においては、外部電極用銅ペーストに酸化亜鉛を含有するホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）が添加されているため、ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）が軟化、主成分である酸化亜鉛が上記残留チャーにより還元されて亜鉛となり、例えバーンアウトゾーンにおいて銅が酸化銅に酸化されたとしても、この亜鉛により酸化銅が銅に還元される。この結果、内部電極であるニッケルとの合金化が促進されるとともに、残留チャーの分解が促進され、有機ビヒクルの分解、燃焼も十分に行われるため、銅の焼結性の悪化も防止できる。
【００２４】
ホウ珪酸亜鉛ガラス（ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系）質フリット（Ｄ）としては、ＺｎＯを３５〜５５ｗｔ％含有することが好ましい。ＺｎＯの含有量が５５ｗｔ％を超えると、ニッケルメッキ液に対する耐酸性が低下する。一方、ＺｎＯの含有量が３５ｗｔ％未満では、軟化点を６００℃以下とするために、Ｎａ_２ＯやＫ_２Ｏ等のアルカリ酸化物やＢ_２Ｏ_３を多量に含有させる必要があり、コンデンサーの電気特性やガラスの耐酸性が低下する。
【００２５】
また、ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）は、酸化銅が生成する温度域において軟化している必要があるため、軟化点は６００℃以下であることが必要である。なお、ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）の平均粒径は、前述のガラス質フリットと同様に、１〜６μｍが好ましい。
【００２６】
ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）の添加量は、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して０．１〜３．０重量部であることが好ましい。添加量が０．１重量部未満では、酸化銅が還元されないため、外部電極とニッケル内部電極との接続性の改善は認められない。一方、添加量が３．０重量部を超えると、ガラスフリットのＺｎＯ含有量が増えてガラスのニッケルメッキ液に対する耐酸性が低下し、電気特性を低下させる。
【００２７】
５．外部電極用銅ペースト組成物
本発明の外部電極用銅ペーストは、導電成分である銅粉末（Ａ）と軟化点が６００〜８００℃であるホウ珪酸ガラス又はホウ珪酸バリウムガラスから選ばれるガラス質フリット（Ｂ）と有機ビヒクル（Ｃ）とを含有し、かつガラス質フリット（Ｂ）の含有量が銅粉末（Ａ）１００重量部に対して４．３〜１４重量部である外部電極用銅ペーストに、さらに、酸化亜鉛を３５〜５５ｗｔ％含有し、軟化点が６００℃以下であるホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）を、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して０．１〜３．０重量部の割合で添加してなり、ピーク温度９００℃、バーンアウトゾーンの酸素濃度２００〜４００ｐｐｍ、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成して評価したとき、外部電極部分にメッキ液の浸入がないことを特徴とする。
外部電極用銅ペースト組成物の作製方法は、特に限定されず、上記（Ａ）〜（Ｄ）成分をミキサーで混合した後、三本ロールミル等により混練すればよい。また、本発明の外部電極用銅ペースト組成物には、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じて、潤滑剤、酸化防止剤、粘度調整剤、消泡剤等を添加することができる。
【００２８】
６．外部電極の形成方法
本発明の外部電極用銅ペースト組成物を用いて外部電極を形成する方法としては、特に制限されず、積層セラミックコンデンサー素体の端面に外部電極用銅ペースト組成物を塗布して乾燥させた後、ベルト炉等を用いて焼成するという一般的な方法が使用できる。
上記方法により形成された外部電極を具備する積層セラミックコンデンサーは、信頼性に優れるとともに、静電容量等の電気特性にも優れるという特徴を有する。
【００２９】
【実施例】
以下に、本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３０】
実施例１〜５、比較例１〜５
表１の記載に従って、外部電極用銅ペースト組成物、及び積層セラミックコンデンサーを以下に示す手順で製造した。得られた積層セラミックコンデンサーの特性を評価したところ、表１に示すとおりの結果を得た。
【００３１】
（有機ビヒクルの作製）
ターピネオール７３重量部にエチルセルロース１重量部、アクリル樹脂２６重量部を分散させた後、エアーモーターで撹拌しながら６０℃まで加熱し、透明で粘調な有機ビヒクルを作製した。
【００３２】
（外部電極用銅ペーストの作製）
中心粒径２．５μｍの銅粉末１００重量部、ホウ珪酸ガラスフリット（軟化点７７０℃）とホウ珪酸亜鉛ガラス質フリットを表１に示す重量部、上記有機ビヒクル３６重量部を秤量し、これらをミキサーで混合した後、三本ロールミルによって混練し、外部電極用銅ペーストを作製した。
【００３３】
（積層セラミックチップの作製）
積層セラミックコンデンサー素体のニッケル内部電極が露出した端面に、上記外部電極用銅ペーストを塗布し、１２０℃で乾燥した後、窒素雰囲気ベルト炉で、ピーク温度９００℃、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成し、積層セラミックチップを作製した。炉内の焼成ゾーンの酸素濃度は５ｐｐｍ、炉の前半部に設けられたバーンアウトゾーンには乾燥空気を導入し、酸素濃度を、ジルコニア酸素濃度計を用いて５、２００、４００ｐｐｍに設定した。
【００３４】
（積層セラミックコンデンサーの評価）
▲１▼焼結性評価
得られた積層セラミックチップの外部電極の表面状態を電子顕微鏡にて観察した。また、積層セラミックチップに、４５℃のニッケルメッキ液中にて６０分間バレルメッキを行ない、樹脂埋めした後に、断面を削りだし、断面の焼結性を電子顕微鏡にて、外部電極部分にニッケルメッキの侵入が見られるかどうかをＥＰＭＡにて観察した。焼結状態の良好なものを○、焼結状態がポーラスなものを×、ポーラスではないが改善を必要とするものを△とした。ニッケルメッキでは、ニッケルメッキの侵入が見られないものを○、ニッケルメッキの侵入が見られるものを×とした。
【００３５】
▲２▼静電容量評価
積層セラミックチップにニッケルメッキを施した積層セラミックコンデンサーの静電容量をＬＣＲメータ（ヒューレットパッカード社製４２７８Ａ）にて測定した。測定周波数は１ｋＨｚで、静電容量の取得率が設計容量に対して９０％以上のものを○、９０％未満のものを×とした。
【００３６】
▲３▼絶縁抵抗
上記積層セラミックコンデンサーの絶縁抵抗を高抵抗計（ヒューレットパッカード社製４３２９Ａ）にて測定した。測定電圧は５０Ｖで、絶縁抵抗が１×１０^９以上のものを○、１×１０^９未満のものを×とした。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１の結果から明らかなように、本発明の外部電極用ペーストは、バーンアウトゾーンの酸素濃度が高く設定された場合にも、添加されたホウ珪酸亜鉛ガラス質フリットが酸化銅の銅への還元を促進するため、焼結状態が良好で積層体との接着強度に優れ、かつ内部電極との接続性にも優れた外部電極を与える。この結果、得られた積層セラミックコンデンサーは、信頼性に優れ、静電容量等の電気特性にも優れている。
【００３９】
参考例
外部電極用ペーストへのホウ珪酸亜鉛ガラス質フリットの添加効果（作用機構）を明らかにするため、実施例３のペーストと比較例１のペースト（ホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット無添加）とを用い、以下のようにして焼成途中のペースト成分を分析した。得られた結果を表２に示す。
焼成条件
バーンアウトゾーンの酸素濃度を３００ｐｐｍに設定し、ピーク温度８７０℃、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成を行なう際に、焼成温度が５５５℃、６７０℃、７５５℃、８００℃、８７０℃の各温度に達した時点で炉から試料をサンプリングし、下記の化学分析に供した。
▲１▼ＸＲＤ回折による焼成途中のＣｕ、Ｃｕ_２Ｏの半定量
アルミナ基板にペーストを印刷して乾燥したものを試料とし、上記条件で焼成、サンプリングして、焼成基板をＸＲＤ測定し、Ｃｕ、Ｃｕ_２Ｏのメインピークカウント数を比較した。
▲２▼残留ｃｈａｒ（カーボン）の定量
測定精度を上げるために、ペーストを乾燥、粉砕して粉末とし、この粉末０．１５ｇを秤量して７ｍｍファイのペレットを作製した。これを試料とし、上記条件で焼成、サンプリングして、ペレットのＣ定量分析を行なった。なお、分析装置は、焼成前〜５５５℃の範囲はＬＥＣＯ製ＥＣ−１２を、６７０〜８７０℃の範囲はＨＯＲＩＢＡ製ＥＭＩＡ−Ｕ５５１を用いた。
【００４０】
【表２】

【００４１】
表２の結果から明らかなように、ホウ珪酸亜鉛ガラスフリットを添加することでＣｕの酸化が抑制され、またカーボンの分解、燃焼が促進されている。この結果からも、ホウ珪酸亜鉛ガラスフリットの添加は、外部電極である銅と内部電極であるニッケルの合金化を妨げる原因となる銅の酸化、残留カーボンによる焼結遅延を防止し、銅外部電極とニッケル内部電極との接続性の向上、静電容量値の安定化に寄与していることが明らかである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、従来のようにバーンアウトゾーンの酸素濃度を厳密に管理する必要がなく、酸素濃度を高く設定した場合にも、積層体との接着強度に優れ、かつ内部電極との接続性にも優れた外部電極、換言すれば、信頼性に優れ、静電容量等の電気特性にも優れた積層セラミックコンデンサーを与える外部電極用銅ペーストが得られる。

Claims

銅粉末（Ａ）と軟化点が６００〜８００℃であるホウ珪酸ガラス又はホウ珪酸バリウムガラスから選ばれるガラス質フリット（Ｂ）と有機ビヒクル（Ｃ）とを含有し、かつガラス質フリット（Ｂ）の含有量が銅粉末（Ａ）１００重量部に対して４．３〜１４重量部である外部電極用銅ペーストに、さらに、酸化亜鉛を３５〜５５ｗｔ％含有し、軟化点が６００℃以下であるホウ珪酸亜鉛ガラス質フリット（Ｄ）を、銅粉末（Ａ）１００重量部に対して０．１〜３．０重量部の割合で添加してなり、ピーク温度９００℃、バーンアウトゾーンの酸素濃度２００〜４００ｐｐｍ、ｉｎ−ｏｕｔ６０分のプロファイルで焼成して評価したとき、外部電極部分にメッキ液の浸入がないことを特徴とする外部電極用銅ペースト組成物。
請求項１に記載の外部電極用銅ペースト組成物を用いて形成される外部電極を具備してなる積層セラミックコンデンサー。