JP5245595B2

JP5245595B2 - 積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法

Info

Publication number: JP5245595B2
Application number: JP2008184217A
Authority: JP
Inventors: 博之和田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010027696A

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサの故障寿命の評価方法に関する。

本発明の主用途である積層セラミックコンデンサは、以下のようにして製造されるのが一般的である。

まず、その表面に、所望のパターンをもって内部電極となる導電材料を付与した、誘電体セラミック原料を含むセラミックグリーンシートが用意される。

次に、上述した導電材料を付与し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が積層され、熱圧着され、それによって一体化された生の積層体が作製される。

次に、この生の積層体は焼成され、それによって、焼結後の積層体が得られる。この積層体の内部には、上述した導電材料をもって構成された内部電極が形成されている。

次いで、積層体の外表面上に、内部電極の特定のものに電気的に接続されるように、外部電極が形成される。外部電極は、たとえば、導電性金属粉末およびガラスフリットを含む導電性ペーストを積層体の外表面上に付与し、焼き付けることによって形成される。このようにして、積層セラミックコンデンサが完成される。

積層セラミックコンデンサは、電界を印加することによって使用するが、長期間の使用により、徐々に絶縁抵抗値が低下し、最後には絶縁性を保てなくなり故障に至る。この故障までの時間を故障寿命と呼び、積層セラミックコンデンサにおいては、この故障寿命が長いことが求められる。よって、積層セラミックコンデンサにおいては、この故障寿命を精度良く把握することが重要である。

通常の使用条件、すなわち常温・定格電圧下において積層セラミックコンデンサの故障寿命を評価しようとすると、評価に多大な時間を要する。したがって、一般には、常温よりも高い温度にて定格電圧より高い電圧を印加することにより、絶縁抵抗値の劣化を加速させることで、加速条件下における寿命（以下、「加速寿命」と記す）を測定し、この加速寿命に既知の加速係数とを組み合わせることにより、本来の故障寿命を見積もる方法がとられる。

たとえば、特許文献１の積層セラミックコンデンサにおいては、２００℃の温度条件下で３０ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加して行う絶縁抵抗値の加速寿命試験において、絶縁抵抗値が１×１０⁵Ω以下に至るまでの時間が１時間以上であることが示されている。
特開２００６−９６５７４号公報

昨今では、様々な試験条件における故障寿命の提示が求められるため、さらなる試験時間の短縮化が求められている。しかしながら、温度や電圧を高くしすぎて絶縁抵抗値の劣化を加速しすぎると、試験条件が実使用条件から乖離するため加速係数の精度が低下し、実使用条件における故障寿命が正確に見積もれないという課題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、積層セラミックコンデンサの加速寿命試験において、その故障寿命を、短時間にて求めることを目的としている。

すなわち本発明の積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法は、一般式ＡＢＯ3で表されるペロブスカイト型化合物（ＡはＢａを必ず含み、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒから選ばれる少なくとも１種を含む。ＢはＴｉを必ず含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる少なくとも１種を含む。）を主成分とする誘電体セラミック層と、これらの誘電体セラミック層間に配置された内部電極と、これらの内部電極に電気的に接続された外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサを用意する工程と、前記積層セラミックコンデンサに対し、室温以上の温度におい電圧を印加した状態にて、絶縁抵抗値の時間に対する一回微分値として求められる絶縁抵抗値の劣化速度を経時的にモニタリングする工程と、前記絶縁抵抗値の劣化速度が、時間に対して極大値をとる時点の経過時間を特定する工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法おける試験条件においては、前記温度が１００〜２００℃の範囲にあり、前記電圧の印加による誘電体セラミック層一層あたりの電界が２〜６０ｋＶ／ｍｍの範囲にあることが好ましい。

本発明の積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法によれば、加速試験において、積層セラミックコンデンサが故障に至る前に試験を完了することができるので、試験時間を大幅に短縮することができる。

また、本発明の積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法によれば、試験時間に余裕ができるため、加速条件を緩和する余地ができる。結果として、加速係数の精度が高まり、故障寿命をより正確に見積もることができる。

まず、本発明の誘電体セラミックの主要な用途である、積層セラミックコンデンサについて説明する。図１は一般的な積層セラミックコンデンサ１を示す断面図である。

積層セラミックコンデンサ１は、直方体状のセラミック積層体２を備えている。セラミック積層体２は、複数の積層された誘電体セラミック層３と、複数の誘電体セラミック層３間の界面に沿って形成された複数の内部電極４および５とを備えている。内部電極４および５は、セラミック積層体２の外表面にまで到達するように形成されるが、セラミック積層体２の一方の端面６にまで引き出される内部電極４と他方の端面７にまで引き出される内部電極５とが、セラミック積層体２の内部において、誘電体セラミック層３を介して静電容量を取得できるように交互に配置されている。

内部電極４および５の導電材料は、低コストであるニッケルもしくはニッケル合金が好ましい。

前述した静電容量を取り出すため、セラミック積層体２の外表面上であって、端面６および７上には、内部電極４および５のいずれか特定のものに電気的に接続されるように、外部電極８および９がそれぞれ形成されている。外部電極８および９に含まれる導電材料としては、内部電極４および５の場合と同じ導電材料を用いることができ、さらに、銀、パラジウム、銀−パラジウム合金なども用いることができる。外部電極８および９は、このような金属粉末にガラスフリットを添加して得られた導電性ペーストを付与し、焼き付けることによって形成される。

また、外部電極８および９上には、必要に応じて、ニッケル、銅などからなる第１のめっき層１０および１１がそれぞれ形成され、さらにその上には、半田、錫などからなる第２のめっき層１２および１３がそれぞれ形成される。

本発明の誘電体セラミック層３の主成分は、一般式ＡＢＯ₃で表されるペロブスカイト型化合物（ＡはＢａを必ず含み、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒから選ばれる少なくとも１種を含む。ＢはＴｉを必ず含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる少なくとも１種を含む。）である。特に、ＢａＴｉＯ₃が好ましい。必要に応じて、希土類元素、Ｍｇ、Ｍｎ、などの副成分が含有される。

また、誘電体セラミック層３の一層あたりの厚みは、０．７〜５．０μｍ程度であることが好ましい。

次に、故障寿命の評価方法の詳細について説明する。

本発明の故障寿命の試験方法は、高温・高圧負荷の加速条件下における加速試験である。温度は、試験時間短縮のため、常温よりは高いことが求められる。好ましくは１００℃以上である。また２００℃以上になると、実使用条件からの乖離が大きくなるため、加速係数の精度確保の面から好ましくない。

負荷電圧は、定格電圧より高いことが好ましい。好ましくは、電界にして２．０ｋＶ／ｍｍ以上である。ただ、電界が６０ｋＶ／ｍｍを超えると、故障モードが絶縁破壊モードに近くなるため、実使用条件における故障寿命を見積もりにくくなり、好ましくない。

そして、所定の温度において、所定の電圧を印加した状態にて、絶縁抵抗値、および絶縁抵抗値の劣化速度が経時的にモニタリングされる。絶縁抵抗値の劣化速度とは、絶縁抵抗値の時間に対する一回微分値に相当し、絶縁抵抗の劣化が急であるほど正の高い値をとる。このときのモニタリングにおいては、横軸に時間軸、縦軸に絶縁抵抗値および絶縁抵抗値の劣化速度がとられることが望ましい。

本発明の積層セラミックコンデンサにおいては、絶縁抵抗値の劣化速度は、試験開始より単純増加する傾向にある。そして、さらに時間が経過すると、絶縁抵抗値の劣化速度が減少に転じる。このとき、絶縁抵抗値の劣化速度が、時間に対して極大値をもつ。この極大値のときの経過時間ｔ１を把握する。さらに時間が経過すると、絶縁抵抗値が０．１ＭΩに達し、故障となる。この時の経過時間をｔ２とするが、本発明においては、ｔ２を待たずにｔ１が判明した時点で試験を終了して構わない。

次いで、この経過時間ｔ１を、予め求められた加速係数を用いて、本来の故障寿命Ｔを算出する。この加速係数とは、試験電圧または試験温度を変化させたときの様々なｔ１の値より、通常用いられる方法において求められるものである。

このｔ１とｔ２とは非常に相関が強い。したがって、従来のようなｔ２からＴを求めるときと同等の精度にて、Ｔがｔ１より見積もられる。

また、ｔ１はｔ２より短いため、試験時間に余裕が生じる。この余裕が生じたぶん、加速条件を緩和させることが可能となり、それが加速係数のさらなる精度向上にも繋がる。

さらに、仮に加速係数を求めなくとも、ｔ１の大小を比較することにより、試料間の故障寿命を相対比較することができる。

［実験例１］本実験例は、ある特定の組成における積層セラミックコンデンサを用意し、特定の加速条件下において加速寿命試験を行い、ｔ１とｔ２を求め、試験時間の短縮効果をみたものである。

組成が１００（Ｂａ_0.93Ｃａ_0.07）ＴｉＯ₃＋０．２５Ｙ₂Ｏ₃＋０．８ＭｇＯ＋０．１ＭｎＯ＋１．０ＳｉＯ₂（係数はｍｏｌ％）であり、一層あたりの厚みが０．７μｍである誘電体セラミック層と、Ｎｉを主成分とする内部電極と、Ｃｕを主成分とする外部電極とを備える積層セラミックコンデンサを用意した。対向する内部電極の重なり面積は０．５ｍｍ²であり、積層数は５０層であった。

この積層セラミックコンデンサ２４０個を、並列接続になるように配線した２端子治具にセットし、この治具を恒温槽中に固定した。この治具の端子から接続された同軸ケーブルを、試験電圧の印加、電流の自動測定、および絶縁抵抗値とその劣化速度のモニタリングが可能な寿命試験機に接続した。

次に、恒温槽の温度を１５０℃に上げ、温度が安定した時点から、表１に示す試験電界にて寿命試験を開始した。表１の試料１〜６は、試料個数がそれぞれ４０個ずつであり、それぞれ印加する試験電界が異なっている。試験中、継続して電流値を測定することにより、絶縁抵抗値とその劣化速度をモニタリングした。

次いで、試験中に、絶縁抵抗値Ｒの対数値の劣化速度−ΔＬｏｇＲ／Δｔ（単位はΩ／ｍｉｎ）が極大値をとった時点にて、それを劣化速度を最大値とした。この平均値を表１に示す。また、劣化速度が最大になったときの経過時間ｔ１の平均値を表１に示す。

さらに、試験を試料が故障状態、すなわち絶縁抵抗値が０．１ＭΩになるまで続行した。このときの経過時間ｔ２の平均値も表１に示す。

@0001
表１のｔ１、ｔ２の結果より、試料１〜６のｔ１とｔ２との相関係数は０．９９６となり高い相関がみられた。よって、絶縁抵抗値の劣化速度が極大となる時点における経過時間をみることで、本来の故障寿命Ｔを精度良く見積もることが可能である。また、試験時間の短縮効果となるｔ１／ｔ２を求めたところ、約３０％となった。

［実験例２］本実験例は、実験例１とは別の組成における積層セラミックコンデンサを用意し、実験例１より高温・低圧の加速条件下において加速寿命試験を行い、ｔ１とｔ２を求め、試験時間の短縮効果をみたものである。

組成が１００ＢａＴｉＯ₃＋１．０Ｄｙ₂Ｏ₃＋１．２ＭｇＯ＋０．５ＭｎＯ＋１．２ＳｉＯ₂（係数はｍｏｌ％）であり、一層あたりの厚みが３．５μｍである誘電体セラミック層と、Ｎｉを主成分とする内部電極と、Ｃｕを主成分とする外部電極とを備える積層セラミックコンデンサを用意した。対向する内部電極の重なり面積は０．５ｍｍ²であり、積層数は５０層であった。

この積層セラミックコンデンサ２４０個を、実験例１と同じ寿命試験機に接続した。

次に、恒温槽の温度を２００℃に上げ、温度が安定した時点から、表２に示す試験電界にて寿命試験を開始した。表２の試料１１〜１６は、試料個数がそれぞれ４０個ずつであり、それぞれ印加する試験電界が異なっている。試験中、継続して電流値を測定することにより、絶縁抵抗値とその劣化速度をモニタリングした。

次いで、試験中に、絶縁抵抗値Ｒの対数値の劣化速度−ΔＬｏｇＲ／Δｔ（単位はΩ／ｍｉｎ）が極大値をとった時点にて、それを劣化速度を最大値とした。この平均値を表２に示す。また、劣化速度が最大になったときの経過時間ｔ１の平均値を表２に示す。

さらに、試験を試料が故障状態、すなわち絶縁抵抗値が０．１ＭΩになるまで続行した。このときの経過時間ｔ２の平均値も表２に示す。

@0002
表２のｔ１、ｔ２の結果より、試料１１〜１６のｔ１とｔ２との相関係数は０．９９９となり高い相関がみられた。よって、絶縁抵抗値の劣化速度が極大となる時点における経過時間をみることで、本来の故障寿命Ｔを精度良く見積もることが可能である。また、試験時間の短縮効果となるｔ１／ｔ２を求めたところ、約３０％となった。

［実験例３］本実験例は、実験例１および２とは別の組成における積層セラミックコンデンサを用意し、実験例１より低温・高圧の加速条件下において加速寿命試験を行い、ｔ１とｔ２を求め、試験時間の短縮効果をみたものである。

組成が１００Ｂａ（Ｔｉ_0.88Ｚｒ_0.12）Ｏ₃＋０．２５Ｄｙ₂Ｏ₃＋０．２５ＭｎＯ（係数はｍｏｌ％）であり、一層あたりの厚みが２．０μｍである誘電体セラミック層と、Ｎｉを主成分とする内部電極と、Ｃｕを主成分とする外部電極とを備える積層セラミックコンデンサを用意した。対向する内部電極の重なり面積は０．５ｍｍ²であり、積層数は５０層であった。

次に、恒温槽の温度を１００℃に上げ、温度が安定した時点から、表３に示す試験電界にて寿命試験を開始した。表２の試料２１〜２６は、試料個数がそれぞれ４０個ずつであり、それぞれ印加する試験電界が異なっている。試験中、継続して電流値を測定することにより、絶縁抵抗値とその劣化速度をモニタリングした。

次いで、試験中に、絶縁抵抗値Ｒの対数値の劣化速度−ΔＬｏｇＲ／Δｔ（単位はΩ／ｍｉｎ）が極大値をとった時点にて、それを劣化速度を最大値とした。この平均値を表３に示す。また、劣化速度が最大になったときの経過時間ｔ１の平均値を表３に示す。

さらに、試験を試料が故障状態、すなわち絶縁抵抗値が０．１ＭΩになるまで続行した。このときの経過時間ｔ２の平均値も表３に示す。

@0003
表３のｔ１、ｔ２の結果より、試料２１〜２６のｔ１とｔ２との相関係数は０．９９４となり高い相関がみられた。よって、絶縁抵抗値の劣化速度が極大となる時点における経過時間をみることで、本来の故障寿命Ｔを精度良く見積ることができる。また、試験時間の短縮効果となるｔ１／ｔ２を求めたところ、約３０％となった。

本発明の一実施形態による積層セラミックコンデンサ１を図解的に示す断面図である。

符号の説明

１積層セラミックコンデンサ
２セラミック積層体
３誘電体セラミック層
４，５内部電極
８，９外部電極

Claims

一般式ＡＢＯ3で表されるペロブスカイト型化合物（ＡはＢａを必ず含み、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒから選ばれる少なくとも１種を含む。ＢはＴｉを必ず含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる少なくとも１種を含む。）を主成分とする誘電体セラミック層と、これらの誘電体セラミック層間に配置された内部電極と、これらの内部電極に電気的に接続された外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサを用意する工程と、
前記積層セラミックコンデンサに対し、室温以上の温度において電圧を印加した状態にて、絶縁抵抗値の時間に対する一回微分値として求められる絶縁抵抗値の劣化速度を経時的にモニタリングする工程と、
前記絶縁抵抗値の劣化速度が、時間に対して極大値をとる時点の経過時間を特定する工程と、
を備えることを特徴とする、積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法。
前記温度が１００〜２００℃の範囲にあり、
前記電圧の印加による誘電体セラミック層一層あたりの電界が２〜６０ｋＶ／ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の積層セラミックコンデンサの故障寿命評価方法。