JP4706398B2 - 誘電体磁器組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
一般式ABO3 (ただし、式中、Aは、Ba、Ca、SrおよびMgから選択される1種以上の元素であり、Bは、Ti、ZrおよびHfから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を含む主成分を有する誘電体磁器組成物を製造する方法であって、
液相法により、ABO3 粉末を合成する工程と、
合成された前記ABO3 粉末を熱処理し、前記ABO3 粉末に含有されているガス成分を除去する工程と、
ガス成分を除去した前記ABO3 粉末を含む誘電体磁器組成物原料を焼成する工程と、を有する。
一般式ABO3 (ただし、式中、Aは、Ba、Ca、SrおよびMgから選択される1種以上の元素であり、Bは、Ti、ZrおよびHfから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を含む主成分を有する誘電体磁器組成物を製造する方法であって、
固相法により、ABO3 粉末を合成する工程と、
合成された前記ABO3 粉末を熱処理し、前記ABO3 粉末に含有されているガス成分を除去する工程と、
ガス成分を除去した前記ABO3 粉末を含む誘電体磁器組成物原料を焼成する工程と、を有する。
また、第1の観点および第2の観点において、熱処理により除去される前記ガス成分としては、ABO3 結晶内に含まれており、加熱によりガス化する成分であれば特に限定されないが、たとえば、炭酸ガスなどが挙げられる。
図1は本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの断面図、
図2は本発明の一実施形態に係る主成分原料の製造方法を説明するための図、
図3(A)は本発明の実施例に係る熱処理前の主成分原料のSEM写真、図3(B)は本発明の実施例に係るガス成分除去のための熱処理を行った主成分原料のSEM写真、
図4は本発明の実施例に係る主成分原料のX線回折パターンを示す図、
図5は本発明の実施例に係る主成分原料のTG曲線を示す図である。
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
第1実施形態では、電子部品として図1に示される積層セラミックコンデンサ1を例示し、その構造および製造方法を説明する。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1は、誘電体層2と内部電極層3とが交互に積層された構成のコンデンサ素子本体10を有する。このコンデンサ素子本体10の両端部には、素子本体10の内部で交互に配置された内部電極層3と各々導通する一対の外部電極4が形成してある。コンデンサ素子本体10の形状に特に制限はないが、通常、直方体状とされる。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよい。
第1の観点に係る方法により製造される誘電体磁器組成物は、一般式ABO3 (ただし、式中、Aは、Ba、Ca、SrおよびMgから選択される1種以上の元素であり、Bは、Ti、ZrおよびHfから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を含む主成分を有する。
本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、従来の積層セラミックコンデンサと同様に、ペーストを用いた通常の印刷法やシート法によりグリーンチップを作製し、これを焼成した後、外部電極を印刷または転写して焼成することにより製造される。以下、製造方法について具体的に説明する。
主成分原料の合成
本実施形態(第1実施形態)においては、主成分原料(ABO3 粉末)を液相法により合成する。液相法としては、従来公知の蓚酸塩法、水熱合成法、アルコキシド法などが挙げられる。液相法により、主成分原料を合成することにより、微細かつ、シャープな粒度分布を有する原料粉末を得ることができる。なお、液相法により得られる主成分原料は、平均粒径が、好ましくは0.1〜0.5μmの範囲である。
次いで、上記各方法により、得られた主成分原料(たとえば、BaTiO3 粉末)について、熱処理を行う。
この熱処理は、上記にて得られた主成分原料に含有されている炭酸ガス等のガス成分を除去することを目的とするものである。このような熱処理を施すことにより、主成分原料の高結晶化を図ることができ、その結果、主成分自体の比誘電率を向上させることができる。
次いで、上記にて得られた主成分原料と、必要に応じて添加される副成分の原料とを混合し、誘電体磁器組成物原料を得る。
なお、誘電体磁器組成物原料を調製する際には、主成分原料と副成分原料とを混合した後に、仮焼きしても良い。
誘電体層用ペーストは、誘電体磁器組成物原料と有機ビヒクルとを混練した有機系の塗料であってもよく、水系の塗料であってもよい。
外部電極用ペーストは、上記した内部電極層用ペーストと同様にして調製すればよい。
印刷法を用いる場合、誘電体層用ペーストおよび内部電極層用ペーストを、PET等の基板上に積層印刷し、所定形状に切断した後、基板から剥離してグリーンチップとする。
焼成前に、グリーンチップに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、内部電極層ペースト中の導電材の種類に応じて適宜決定されればよいが、導電材としてNiやNi合金等の卑金属を用いる場合、脱バインダ雰囲気中の酸素分圧を10−45 〜105 Paとすることが好ましい。酸素分圧が前記範囲未満であると、脱バインダ効果が低下する。また酸素分圧が前記範囲を超えると、内部電極層が酸化する傾向にある。
このようにして製造された本発明の積層セラミックコンデンサは、ハンダ付等によりプリント基板上などに実装され、各種電子機器等に使用される。
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、電子部品として図1に示される積層セラミックコンデンサ1を例示し、その構造および製造方法を説明する。
主成分原料の合成
本実施形態(第2実施形態)においては、主成分原料(ABO3 粉末)を固相法(仮焼き法)により合成する。固相法としては、従来公知の方法を採用すれば良い。固相法により、主成分原料を合成することにより、主成分組成を比較的に容易に多元系化することができる。
次いで、上記各方法により、得られた主成分原料(たとえば、BaTiO3 粉末)について、熱処理を行う。
熱処理の条件は、上記した第1実施形態と同様とすれば良い。本実施形態(第2実施形態)においては、仮焼きにより得られたBaTiO3 を、所望の粒径となるように粉砕した後に、ガス成分除去のための熱処理を行う。そのため、粉砕することなく熱処理を施した場合と比較して、比較的に低い温度でもガス成分の除去が可能となり、そのため、熱処理温度を高くした場合に問題となる粒成長を有効に防止しつつ、ガス成分の除去が可能となる。
本実施形態(第1実施形態および第2実施形態)によると、液相法または固相法により合成された主成分原料(たとえば、BaTiO3 粉末)に、ガス成分を除去するための熱処理を施す。そのため、主成分原料の高結晶化が可能となり、その結果、主成分原料自体の比誘電率を向上させることができ、ひいては、誘電体磁器組成物の比誘電率を向上させることができる。
主成分原料(BaTiO 3 )の調製
以下の方法により、主成分原料(BaTiO3 粉末)を調製した。
すなわち、まず、出発原料として蓚酸塩法により合成されたBaTiO3 粉末(比表面積2.8m2/g、Ba/Ti=0.995)を準備した。次いで、このBaTiO3 粉末を、温度:表1に示す各温度、時間:2.0時間、大気中で、ガス成分除去のための熱処理を行うことにより主成分原料(BaTiO3 粉末)を調製した。
BaTiO3 単独での比誘電率は、以下の方法により、測定した。すなわち、まず、ガス成分除去のための熱処理を行った後のBaTiO3 粉末にバインダとしてのポリビニルアルコール樹脂(PVA)を添加し、加圧成型することにより直径12mm、厚さ0.6mm程度の円板状の試料を得た。次いで、得られた円板状の試料について、脱バインダ処理、焼成を行って、円板状の誘電体磁器組成物の試料を得た。なお、脱バインダ処理条件は、保持温度:400℃、温度保持時間:2時間、雰囲気:空気中とした。焼成条件は、蓚酸塩法により合成されたBaTiO3 粉末に適した温度、すなわち、比誘電率が最も大きくなるような条件とした。具体的には、保持温度:1250〜1270℃、温度保持時間:2時間、雰囲気:大気中とした。
次いで、得られた円板状の試料の両面に、直径6mmのIn−Gaを塗布し、これを電極とし、比誘電率測定用の試料とした。
BaTiO3 の平均粒子径は、ガス成分除去のための熱処理を行った後のBaTiO3 粉末に対して、レーザー光回折法により、個数積算分布における50%径(D50径)を測定することにより、求めた。
BaTiO3 中のCO2 (ガス成分)残存率は、以下の方法により、測定した。すなわち、ガス成分除去のための熱処理を行った後のBaTiO3 粉末に対して、TG:熱重量測定により行った。結果を表1に示す。なお、表1において、CO2 残存率はBaTiO3 全体を100重量%とした場合における、CO2 の含有量を重量%で示した。
まず、誘電体磁器組成物原料を作製するための原料として、上記にて得られた主成分原料(BaTiO3 )と、副成分原料として、CaO、SiO2 、Y2 O3 、MgO、Cr2 O3 、およびV2 O5 を準備した。次いで、これら主成分原料および副成分原料を、ボールミルで19時間、湿式粉砕し、乾燥して、誘電体磁器組成物原料を得た。副成分の添加量は、焼成後の組成において、主成分100モルに対して、以下の比率となるように調整した。
CaO:0.83モル
SiO2 :1.98モル
Y2 O3 :1.03モル
MgO:1.61モル
Cr2 O3 :0.20モル
V2 O5 :0.06モル
なお、本実施例においては、これらの副成分を添加することにより、還元雰囲気での焼成が可能となる。
脱バインダ処理は、昇温時間15℃/時間、保持温度280℃、保持時間8時間、空気雰囲気の条件で行った。
焼成は、蓚酸塩法により合成されたBaTiO3 粉末に適した温度、すなわち、比誘電率が最も大きくなるような条件、すなわち、昇温速度200℃/時間、保持温度1250℃、保持時間2時間、冷却速度300℃/時間、加湿したN2 +H2 混合ガス雰囲気(酸素分圧は10−9気圧)の条件で行った。
アニールは、保持温度900℃、温度保持時間9時間、冷却速度300℃/時間、加湿したN2 ガス雰囲気(酸素分圧は10−5気圧)の条件で行った。なお、焼成及びアニールの際の雰囲気ガスの加湿には、水温を35℃としたウェッターを用いた。
副成分添加時の比誘電率は、コンデンサ試料に対し、基準温度25℃において、デジタルLCRメータ(YHP社製4274A)にて、周波数1kHz,入力信号レベル(測定電圧)1.0Vrmsの条件下で測定された静電容量から算出した(単位なし)。結果を表1に示す。
コンデンサの試料に対し、温度−25℃および85℃で静電容量を測定し、基準温度20℃での静電容量に対する−25℃および85℃での静電容量の変化率△C−25/C20、△C85/C20(単位は%)を算出したところ、いずれの試料も±10%以内であり、EIAJ規格のB特性を満足する結果となった。
出発原料として、水熱合成法により合成されたBaTiO3 粉末(比表面積4.0m2/g、Ba/Ti=1.005)を準備し、その後、このBaTiO3 粉末に、実施例1と同様の条件で、ガス成分除去のための熱処理を行った以外は、実施例1と同様にして、主成分原料(BaTiO3 )を調製した。そして、得られた主成分原料(BaTiO3 )について、実施例1と同様にして、評価を行った。結果を表2に示す。
CaO:1.24モル
SiO2 :2.95モル
Y2 O3 :1.96モル
MgO:0.54モル
V2 O5 :0.03モル
MnO:0.20モル
また、焼成条件は、水熱合成法により合成されたBaTiO3 粉末に適した温度、すなわち、比誘電率が最も大きくなるような条件に変更した。具体的には、BaTiO3 単独での焼成温度:1250〜1270℃、副成分添加時(グリーンチップ)の焼成温度:1275℃とした。
出発原料として、固相法により合成されたBaTiO3 粉末(比表面積4.2m2/g、Ba/Ti=1.017)を準備し、その後、このBaTiO3 粉末に、実施例1と同様の条件で、ガス成分除去のための熱処理を行った以外は、実施例1と同様にして、主成分原料(BaTiO3 )を調製した。そして、得られた主成分原料(BaTiO3 )について、実施例1と同様にして、評価を行った。結果を表3に示す。
CaO:0.24モル
SiO2 :0.56モル
Y2 O3 :0.56モル
MgO:0.75モル
V2 O5 :0.10モル
また、焼成条件は、固相法により合成されたBaTiO3 粉末に適した温度、すなわち、比誘電率が最も大きくなるような条件に変更した。具体的には、BaTiO3 単独での焼成温度:1250〜1270℃、副成分添加時(グリーンチップ)の焼成温度:1250℃とした。
上述の実施例1〜3において使用した熱処理前のBaTiO3 粉末と、ガス成分除去のための熱処理を行ったBaTiO3 粉末(実施例3の試料番号24)と、を使用して、X線回折測定を行った。測定の結果得られた回折パターンを図4に示す。
上述の実施例3において使用した熱処理前のBaTiO3 粉末と、ガス成分除去のための熱処理を行ったBaTiO3 粉末(実施例3の試料番号24)と、を使用して、TG−DTA測定を行った。測定の結果得られたTG曲線を図5に示す。なお、TG−DTA測定の条件としては、測定雰囲気をAir雰囲気、昇温速度10℃/min.とした。
10… コンデンサ素子本体
2… 誘電体層
3… 内部電極層
4… 外部電極
Claims (2)
- 一般式ABO3 (ただし、式中、Aは、Ba、Ca、SrおよびMgから選択される1種以上の元素であり、Bは、Ti、ZrおよびHfから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を含む主成分を有する誘電体磁器組成物を製造する方法であって、
固相法により、900℃から1200℃の仮焼き温度でABO 3 粉末を合成する工程と、
合成された前記ABO3 粉末を400℃から700℃で熱処理し、粒成長させずに前記ABO3 粉末に含有されているガス成分を除去する工程と、
ガス成分を除去した前記ABO3 粉末を含む誘電体磁器組成物原料を焼成する工程と、を有する誘電体磁器組成物の製造方法。 - 固相法により合成された前記ABO3粉末に熱処理を施す前に、前記ABO3粉末を粉砕する工程を、さらに有する請求項1に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
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