JP5007763B2 - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

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Description

この発明は、積層セラミックコンデンサに関するもので、特に、セラミック素体の内部に内部導体およびビア導体が設けられている積層セラミックコンデンサに関するものである。
電源回路においては、電源ラインやグランドに存在するインピーダンスによって、電源ラインの電圧変動が大きくなると、駆動する回路の動作が不安定になったり、電源回路を経由して回路間の干渉が起こったり、発振を起こしたりする。そこで、通常、電源ラインとグランドの間には、デカップリングコンデンサが接続されている。デカップリングコンデンサは、電源ラインとグランド間のインピーダンスを低減し、電源電圧の変動や回路間の干渉を抑える役割を果たしている。
さて、近年、携帯電話などの通信機器やパーソナルコンピュータなどの情報処理機器では、大量の情報を処理するために信号の高速化が進んでおり、使用されるICのクロック周波数も高周波化が進んでいる。このため、高調波成分を多く含むノイズが発生しやすくなり、IC電源回路においては、より強力なデカップリングを施す必要がある。
デカップリング効果を高めるためには、インピーダンス周波数特性の優れたデカップリングコンデンサを用いることが有効であり、このようなデカップリングコンデンサとしては、積層セラミックコンデンサが挙げられる。積層セラミックコンデンサは、ESL(等価直列インダクタンス)が小さいため、電解コンデンサに比べて、より広い周波数帯域にわたってノイズ吸収効果に優れている。
また、デカップリング効果を高めるためには、ICの電源ピンのなるべく近くにデカップリングコンデンサを配置することも有効である。ICの電源ピンとデカップリングコンデンサとの距離が短くなれば、その間のラインに寄生するインダクタンスが小さくなり、電源ラインのインピーダンスが小さくなるためである。
図16ないし図18は、この発明にとって興味ある従来の積層セラミックコンデンサ1を示すものである。より詳細には、図16は、積層セラミックコンデンサ1を断面で示す正面図であり、図17は、図16の線A−Aに沿う断面で示す平面図であり、図18は、図16の線B−Bに沿う断面で示す平面図である。
この積層セラミックコンデンサ1は、複数のセラミック層2が積層されてなるセラミック素体3を有する。セラミック素体3の内部には、セラミック層2間の界面に沿って延びるように内部導体4および5が配置されている。第1の内部導体4と第2の内部導体5とは、特定のセラミック層2を介して互いに対向するように複数組設けられている。
セラミック素体3の一方主面上には、第1の外部端子電極6および第2の外部端子電極7がマトリクス状に交互に配列されて形成され、同様に、セラミック素体3の他方主面上にも、第1の外部端子電極6および第2の外部端子電極7がマトリクス状に交互に配列されて形成されている。
セラミック素体3の内部において、セラミック層2の積層方向に延びるようにして、第1のビア導体8および第2のビア導体9が形成されている。第1のビア導体8は、第1の内部導体4および第1の外部端子電極6と電気的に接続され、第2の内部導体5とは電気的に隔離されている。第2のビア導体9は、第2の内部導体5および第2の外部端子電極7と電気的に接続され、第1の内部導体4とは電気的に隔離されている。
この積層セラミックコンデンサ1においては、電位の互いに異なる第1および第2のビア導体8および9が交互に配置されることにより、第1および第2のビア導体8および9のまわりにそれぞれ発生する磁界が相殺されるため、ESLが低減される。また、端子となる外部端子電極6および7がセラミック素体3の上下面に形成されているため、IC(図示せず。)の下方に実装しやすく、ICとの距離を近づけることが可能である。
ところで、この積層セラミックコンデンサ1においては、前述したように、ビア導体8および9のうち、内部導体4および5の各々とは異電位のものについては、これと電気的に隔離されている。そのため、第1の内部導体4には、これとは異電位の第2のビア導体9を通過させるための開口部10が形成され、他方、第2の内部導体5には、これとは異電位の第1のビア導体8を通過させるための開口部11が形成されている。そして、第1および第2のビア導体8および9は、それぞれ、開口部11および10の各中心を通るように配置されている。
また、内部導体4および5は、セラミック層2となるべきセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷などの印刷手段で導電性ペーストを印刷することにより形成されている。ところが、図19に示すように、導電性ペースト12を印刷する際、内部導体4および5の各々の開口部10および11における、印刷手段の印刷方向13の開始側に印刷にじみ14が発生することがある。そして、印刷にじみ14が大きくなった場合、内部導体4および5と異電位のビア導体9および8とが接触してしまい、ショートするおそれがある。
なお、印刷にじみが生じ得る印刷方法として、上述の説明では、スクリーン印刷法を例示したが、導電性ペーストを用いた印刷方法であれば、たとえばグラビア印刷法など、他の印刷方法であっても、同様の問題に遭遇し得る。
特開2001-203125号公報
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る積層セラミックコンデンサを提供しようとすることである。
この発明は、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック素体と、セラミック素体の内部において、互いに異なるセラミック層間の界面に沿って延びるようにそれぞれ配置される、少なくとも1組の第1および第2の内部導体と、セラミック素体の内部において、セラミック層の積層方向に沿って延びるように配置される第1および第2のビア導体とを備え、上記第1の内部導体は、第1のビア導体と電気的に接続されるとともに、第2のビア導体を通過させる第1の開口部を有し、当該第1の開口部によって、第1の内部導体と第2のビア導体とは互いに電気的に隔離され、上記第2の内部導体は、第2のビア導体と電気的に接続されるとともに、第1のビア導体を通過させる第2の開口部を有し、当該第2の開口部によって、第2の内部導体と第1のビア導体とは互いに電気的に隔離されている、積層セラミックコンデンサに向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、すべての第1のビア導体の各々の中心は、第2の開口部の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されており、すべての第2のビア導体の各々の中心は、第1の開口部の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されており、第1および第2の開口部の各々は、長径および短径を有する長円形状を有し、第1および第2の開口部の各々の中心に対して第1および第2のビア導体の各々の中心がずれる方向と長径の方向とが互いに平行であり、互いに隣接する第1および第2のビア導体について、それぞれを通過させる第2および第1の開口部は、セラミック層の積層方向で互いに重なり合わないように形成されており、第1のビア導体は、第2の開口部の中心に掛かるように形成されており、第2のビア導体は、第1の開口部の中心に掛かるように形成されていることを特徴としている。
この発明に係る積層セラミックコンデンサにおいて、第1および第2の開口部が印刷にじみを有し、印刷にじみを有する第1および第2の開口部が、複数個存在しているとき、好ましくは、印刷にじみによって第1および第2の内部導体と第2および第1のビア導体とがそれぞれ接触しないように、第1および第2のビア導体が印刷にじみとは反対方向に、開口部の長径方向に沿って退避されるように位置するようにされる。
この発明によれば、ビア導体の中心が、内部導体の開口部の中心に対して、所定方向にずれて位置されるので、導電性ペーストを印刷する際、開口部における、印刷方向の開始側に印刷にじみが発生しても、印刷にじみとは反対方向にビア導体が位置するように開口部が形成されているため、内部導体とビア導体とが接触して、ショートするおそれを低減することができる。
この発明の第1の実施形態による積層セラミックコンデンサ21を断面で示す正面図である。 図1に示した積層セラミックコンデンサ21の外観を示す平面図である。 図1に示した積層セラミックコンデンサ21を図1の線A−Aに沿う断面で示す平面図である。 図1に示した積層セラミックコンデンサ21を図1の線B−Bに沿う断面で示す平面図である。 図3に示す第1の内部導体32の一部であって、第1の開口部34が形成された部分を拡大して示した図である。 図5に対応する図であって、印刷にじみ40が生じた場合を示している。 図5に対応する図であって、この発明の範囲外のものであるが、第1の開口部34の形状についての第1の変形例を示している。 図5に対応する図であって、この発明の範囲外のものであるが、第1の開口部34の形状についての第2の変形例を示している。 図5に対応する図であって、この発明の範囲外のものであるが、第1の開口部34の形状についての第3の変形例を示している。 図5に対応する図であって、この発明の範囲外のものであるが、第1の開口部34の形状についての第4の変形例を示している。 この発明の第2の実施形態による積層セラミックコンデンサ21aを示す、図1に対応する図である。 この発明の第3の実施形態による積層セラミックコンデンサ21bを示す、図1に対応する図である。 この発明の第4の実施形態による積層セラミックコンデンサ21cを示す、図1に対応する図である。 第1の実施形態による積層セラミックコンデンサ21を用いて構成された回路基板51を図解的に示す断面図である。 図14に示した回路基板51にMPU61を実装することにより得られた回路モジュール62を図解的に示す断面図である。 この発明にとって興味ある従来の積層セラミックコンデンサ1を断面で示す正面図である。 図16に示した積層セラミックコンデンサ1を図16の線A−Aに沿う断面で示す平面図である。 図16に示した積層セラミックコンデンサ1を図16の線B−Bに沿う断面で示す平面図である。 この発明が解決しようとする課題を説明するためのもので、導電性ペースト12を印刷する際、内部導体4および5の各々の開口部10および11に印刷にじみ14が発生した状態を拡大して示す図である。
図1ないし図6は、この発明の第1の実施形態による積層セラミックコンデンサ21を示している。ここで、図1は、積層セラミックコンデンサ21を断面で示す正面図であり、図2は、積層セラミックコンデンサ21の外観を示す平面図であり、図3は、積層セラミックコンデンサ21を図1の線A−Aに沿う断面で示す平面図であり、図4は、積層セラミックコンデンサ21を図1の線B−Bに沿う断面で示す平面図である。
積層セラミックコンデンサ21は、複数のセラミック層22が積層されてなるもので、互いに対向する第1の主面23および第2の主面24と、それらを接続する第1ないし第4の側面25〜28とを有するセラミック素体29を備える。第1の側面25および第2の側面26は互いに対向し、第3の側面27および第4の側面28は互いに対向している。
第1の主面23上には、複数の第1の外部端子電極30および複数の第2の外部端子電極31がマトリクス状に交互配置され、第2の主面24上においても、同様に配置されている。
セラミック素体29の内部には、互いに異なるセラミック層22間の界面に沿って延びるように少なくとも1組の第1および第2の内部導体32および33がそれぞれ配置されている。第1の内部導体32と第2の内部導体33とは、特定のセラミック層22を介して互いに対向して静電容量を形成するように複数組設けられている。第1の内部導体32は複数の第1の開口部34を有し、第2の内部導体33は複数の第2の開口部35を有している。
セラミック素体29の内部には、また、セラミック層22の積層方向に沿って延びるようにして、第1および第2のビア導体36および37が配置されている。第1および第2のビア導体36および37はマトリクス状に交互配置される。隣接した第1および第2のビア導体36および37の間では、そこに流れる電流の方向が互いに逆向きとなるため、ビア導体36および37の各周囲に発生する磁界の向きも逆向きとなり、それぞれの磁界が互いに打ち消し合う。このため、この積層セラミックコンデンサ21では、ESLを低く抑えることができる。
第1のビア導体36は、第1の内部導体32と電気的に接続されるが、第2の開口部35を通過することにより、第2の内部導体33からは電気的に隔離されている。第2のビア導体37は、第2の内部導体33と電気的に接続されるが、第1の開口部34を通過することにより、第1の内部導体32からは電気的に隔離されている。また、図1から、あるいは図3と図4とを対比すればわかるように、互いに隣接する第1および第2のビア導体36および37について、それぞれを通過させる第2および第1の開口部35および34は、セラミック層22の積層方向で互いに重なり合わないように形成されている。
第1の開口部34の中心に対して、その内部を通過する第2のビア導体37の中心は所定方向にずれて形成され、同様に、第2の開口部35の中心に対して、その内部を通過する第1のビア導体36の中心は所定方向にずれて形成されている。また、第1および第2の開口部34および35はたとえば長円形状をなしている。このように、開口部34および35が長径および短径を有する幾何学的形態を有している場合、開口部34および35の各々の中心に対してビア導体36および37の各々の中心がずれる方向と長径方向とが平行になっていることが好ましい。また、図3および図4に示されるように、すべての第1のビア導体36の各々の中心が、第2の開口部35の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されており、すべての第2のビア導体37の各々の中心が、第1の開口部34の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されていることが好ましい。
図5は、第1の開口部34を拡大して示した図である。開口部34の長径の長さをL、第2のビア導体37の中心と開口部34の中心との距離をDとしたとき、L/Dの値は14以下であることが好ましい。また、ずらしたビア導体37と内部導体32とが接触しないように、ビア導体37の直径をRとしたとき、(R/2+D)<L/2となるように設定される。なお、図5からわかるように、ビア導体37は、開口部34の中心に掛かるように形成されている。
図示および説明は省略するが、第2の開口部35と第1のビア導体36とについても同様の関係に選ばれる。また、以下においても、第1の開口部34と第2のビア導体37とについて図示および説明をし、第2の開口部35と第1のビア導体36とについては図示および説明を省略する。
図6は、この発明による効果を示す模式図である。スクリーン印刷などの印刷手段で導電性ペースト38を印刷することにより内部電極32を印刷したとき、印刷方向39の開始側に、図6に示すように、仮に、内部導体32に印刷にじみ40が生じ、予定されていた開口部34の領域に印刷にじみ40が侵入した状態で、内部導体32が形成されたとしても、ビア導体37が反対方向に退避されるように位置されているため、内部導体32とビア導体37との接触を生じさせにくくすることができる。なお、このような印刷にじみ40が生じた場合であっても、この発明に言う「開口部の中心」とは、予定されていた(印刷にじみがなかった場合の)開口部の中心を指すものとする。
図7ないし図10は、図5に対応する図であって、この発明の範囲外のものであるが、開口部34の形状についての変形例を示している。図7ないし図10において、図5に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
開口部34の形状は、図7ないし図10にそれぞれ示すように、種々の変形が可能である。開口部34は、図7では真円、図8では長方形、図9では正方形、図10では長手の八角形となっている。なお、たとえば長円のように、長径および短径を有する幾何学的形態の場合、長径方向でビア導体37を退避させるために確保した開口部34におけるマージンにより、内部導体32の面積が減少するが、短径方向でその分を補うことが可能となるため、容量を維持したい場合には、長径および短径を有する幾何学的形態の方が有利である。
再び図1ないし図4を参照して、セラミック層22を構成する材料としては、たとえば、BaTiO、CaTiO、SrTiO、CaZrOなどを主成分とする誘電体セラミックを用いることができる。また、これらの主成分にMn化合物、Fe化合物、Cr化合物、Co化合物、Ni化合物などの副成分を添加したものを用いてもよい。セラミック層22の焼成後の厚みは、0.1〜10μmであることが好ましい。
内部導体32および33やビア導体36および37は、たとえば、Ni、Cu、Ag、PdおよびAuからなる群から選ばれる1種の金属または当該金属を含む合金からなることが好ましい。内部導体32および33とビア導体36および37とは互いに同じ金属からなることが好ましい。内部導体32および33の焼成後の厚みは、0.1〜2.0μmであることが好ましい。ビア導体36および37の焼成後の直径は、50〜150μmであることが好ましい。内部導体32および33やビア導体36および37には、セラミック層22を構成するセラミックと同種のセラミックが添加されていてもよい。
外部端子電極30および31は、たとえば、Ni、Cu、Ag、PdおよびAuからなる群から選ばれる1種の金属または当該金属を含む合金からなることが好ましい。外部端子電極30および31は、下地層とその上のめっき層とを有する積層構造で構成され得る。めっき層は、たとえば、Cu、Ni、Sn、Pb、Au、Ag、Pd、BiおよびZnからなる群から選ばれる1種の金属または当該金属を含む合金からなることが好ましい。積層セラミックコンデンサ21がはんだ実装される場合には、下地層の上にNiめっき層およびSnめっき層をこの順に形成することが好ましい。導電性接着剤による実装やワイヤボンディングが適用される場合には、最外層にAuめっき層を形成することが好ましい。樹脂基板に埋め込んで実装する場合には、最外層にCuめっき層を形成することが好ましい。外部端子電極30および31の厚みは、20〜60μmであることが好ましい。また、めっき層1層あたりの厚みは、1〜15μmであることが好ましい。
以下、積層セラミックコンデンサ21の製造方法の一例について説明する。
(1)セラミックグリーンシート、内部導体用導電性ペースト、ビア導体用導電性ペースト、および外部端子電極用導電性ペーストをそれぞれ準備する。セラミックグリーンシートや導電性ペーストには、バインダおよび溶剤が含まれるが、公知の有機バインダや有機溶剤を用いることができる。
(2)セラミックグリーンシート上に、たとえば、スクリーン印刷などにより所定のパターンで導電性ペーストを印刷し、開口部を有する内部導体パターンを形成する。このときの印刷方向を考慮して、後述するビアホールの形成位置を設定する。
(3)セラミックグリーンシートを所定枚数積層し、マザー積層体を作製する。マザー積層体は、必要に応じて、静水圧プレスなどの手段により積層方向に圧着される。
(4)レーザーやNCパンチなどの手段により、マザー積層体を積層方向に貫通するビアホールを、所定位置に所定本数形成する。このとき、ビアホールの中心が、内部導体パターンの開口部の中心からずれるようにして位置決めを行なう。
(5)スクリーン印刷などの手段により、ビアホール内部にビア導体用導電性ペーストを充填する。ビアホール以外に導電性ペーストが付着しないように、マザー積層体の主面上にマスクを被せるのが好ましい。
(6)マザー積層体をカットし、個々の未焼成のセラミック素体を取り出す。
(7)未焼成のセラミック素体を焼成する。焼成温度は、セラミックや電極の材料にもよるが、900〜1300℃であることが好ましい。焼成雰囲気は、大気、N、水蒸気+Nなどの雰囲気を使い分けることができる。
(8)焼成後のセラミック素体の両主面上に所定パターンで導電性ペーストを印刷し、外部端子電極パターンを形成する。なお、外部端子電極パターン形成前に、ビア導体の頭出しを行なうため、セラミック素体の両主面を研磨してもよい。
(9)外部端子電極パターンを焼き付けて外部端子電極を形成する。焼付け温度は、700〜900℃であることが好ましい。
(10)必要に応じて、外部端子電極表面にめっきを施す。なお、めっきの前処理として、外部端子電極表面を研磨してもよい。
図11ないし図13は、それぞれ、この発明の第2ないし第4の実施形態を説明するための図1に対応する図である。第2ないし第4の実施形態は、外部端子電極の配置に関する変形例を与えるものである。図11ないし図13において、図1に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
図11に示す第2の実施形態による積層セラミックコンデンサ21aでは、第1および第2の外部端子電極30および31がいずれも第2の主面24上にのみ形成されている。
図12に示す第3の実施形態による積層セラミックコンデンサ21bでは、第1の主面23上に第1の外部端子電極30のみが、第2の主面24上に第2の外部端子電極31のみが形成されている。
図13に示す第4の実施形態による積層セラミックコンデンサ21cでは、第1の主面23上に第1および第2の外部端子電極30および31の双方が、第2の主面24上に第2の外部端子電極31のみが形成されている。
図14は、たとえば第1の実施形態による積層セラミックコンデンサ21を用いて構成された回路基板51を図解的に断面図で示している。
図14に示すように、回路基板51は、複数の積層された絶縁層52をもって構成された基板本体53と、基板本体53の上方主面上および下方主面上にそれぞれ形成されたランド電極54および55と、基板本体53の内部に形成された配線導体56とを備えている。図14では、基板本体53を構成する複数の積層された絶縁層52間の界面は図示されないが、配線導体56は、絶縁層52間の界面に沿って延びるように形成される面内導体57と絶縁層52を厚み方向に貫通するように形成されるビア導体58とがある。上述の絶縁層52は、たとえば樹脂から構成される。
基板本体53の内部には、積層セラミックコンデンサ21が実装されている。
積層セラミックコンデンサ21を基板本体53の内部に埋め込む際には、たとえば、リジッドな樹脂基板59(図14における点線より下側)上に積層セラミックコンデンサ21を実装し、積層セラミックコンデンサ21の上から、未硬化の熱硬化性樹脂を含むプリプレグシート60(図14における点線より上側)を被せてプレスすることにより、プリプレグシート60中に積層セラミックコンデンサ21を埋め込み、その後、プリプレグシート60を熱硬化させるといった方法を採用することができる。
ランド電極54および55は、たとえば、Cuなどの金属箔をエッチングすることにより形成される。ビア導体58の直上にAuバンプや導電性樹脂のバンプを形成して、これをランド電極54および55としてもよい。
面内導体57は、たとえば、Cuなどの金属箔をエッチングすることにより形成される。
ビア導体58は、たとえば、Cuなどの金属粉末およびエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含む導電性樹脂を、ビアホールに充填することにより形成される。めっきによりビアホール内部に金属を充填する、いわゆるビアフィリングにより形成してもよい。
積層セラミックコンデンサ21と基板本体53の上方主面上のランド電極54とをビア導体58でつなぐ際には、積層セラミックコンデンサ21を埋め込んだ後、レーザーにより基板本体53の上方主面からビアホールを形成し、ビアフィリングによりビア導体58を形成し、その後、ランド電極54を形成するようにしてもよい。
図14に示した回路基板51には、図15に示すように、MPU61が実装されることにより、回路モジュール62が得られる。
示したビア導体は断面円形であったが、この発明が適用され得る範囲は、ビア導体の断面形状に影響されるものではない。
21,21a,21b,21c 積層セラミックコンデンサ
22 セラミック層
29 セラミック素体
30,31 外部端子電極
32,33 内部導体
34,35 開口部
36,37 ビア導体
38 導電性ペースト
39 印刷方向
40 印刷にじみ

Claims (2)

  1. 複数のセラミック層が積層されてなるセラミック素体と、
    前記セラミック素体の内部において、互いに異なる前記セラミック層間の界面に沿って延びるようにそれぞれ配置される、少なくとも1組の第1および第2の内部導体と、
    前記セラミック素体の内部において、前記セラミック層の積層方向に沿って延びるように配置される第1および第2のビア導体と
    を備え、
    前記第1の内部導体は、前記第1のビア導体と電気的に接続されるとともに、前記第2のビア導体を通過させる第1の開口部を有し、当該第1の開口部によって、前記第1の内部導体と前記第2のビア導体とは互いに電気的に隔離され、
    前記第2の内部導体は、前記第2のビア導体と電気的に接続されるとともに、前記第1のビア導体を通過させる第2の開口部を有し、当該第2の開口部によって、前記第2の内部導体と前記第1のビア導体とは互いに電気的に隔離され、
    すべての前記第1のビア導体の各々の中心は、前記第2の開口部の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されており、
    すべての前記第2のビア導体の各々の中心は、前記第1の開口部の中心に対して、互いに同じ方向にずれて位置されており、
    いる、請求項1または2に記載の積層セラミックコンデンサ。
    前記第1および第2の開口部の各々は、長径および短径を有する長円形状を有し、前記第1および第2の開口部の各々の中心に対して前記第1および第2のビア導体の各々の中心がずれる方向と前記長径の方向とが互いに平行であり、
    互いに隣接する前記第1および第2のビア導体について、それぞれを通過させる前記第2および第1の開口部は、前記セラミック層の積層方向で互いに重なり合わないように形成されており、
    前記第1のビア導体は、前記第2の開口部の中心に掛かるように形成されており、
    前記第2のビア導体は、前記第1の開口部の中心に掛かるように形成されている、
    積層セラミックコンデンサ。
  2. 前記第1および第2の開口部は印刷にじみを有し、前記印刷にじみを有する前記第1および第2の開口部は、複数個存在しており、前記印刷にじみによって前記第1および第2の内部導体と前記第2および第1のビア導体とがそれぞれ接触しないように、前記第1および第2のビア導体が印刷にじみとは反対方向に、前記開口部の長径方向に沿って退避されるように位置している、請求項1に記載の積層セラミックコンデンサ。
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