JP5256574B2 - 電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の製造方法に関し、特に積層型の電子部品に適用するための製造方法に関するものである。

電子部品の代表的なものの一つとして圧電部品が知られている。圧電部品は、圧電層と電極層とを含む電子部品であり、代表的な圧電部品としては、圧電アクチュエータ、圧電ブザー、発音体、圧電センサなどが挙げられる。そして、近年、小型であり、しかも小さな電圧で大きな機械的／物理的変位が得られるという利点が、今日の工業的要求に適合するものであるために、積層型の圧電部品の開発が急速に進められている。このような積層型圧電部品は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

このような積層型圧電部品（圧電アクチュエータ）は、自動車等の内燃機関の燃料噴射制御用のアクチュエータのような大きな変位量が要求されるアクチュエータにも用いられ、その際の積層数は３００〜４００層にも及ぶ。また、１つの圧電部品の中に個別変位部位をマトリクス状に形成した、いわゆるアレー構造の積層型圧電部品も知られている。

以上のような積層型圧電部品を作製する一般的な方法としては、まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分としたセラミック粉体をスラリー化すると共にシート化して、グリーンシートを準備する。次に、このグリーンシートの上に、金属成分としてＡｇ−Ｐｂ合金を含む電極ペーストを塗布する。そして、この電極ペーストが塗布された上記グリーンシートを複数枚重ねて、グリーンシートと電極ペースト層とが交互に積層された積層体を作製する。その後、得られた積層体を焼成し、最後に電圧を印加するための外部電極を設けることにより、圧電層と電極層とが交互に積層された積層型圧電部品の作製が完了する。
特開２００２−１７１００２号公報

しかしながら、前述した従来の圧電部品の製造方法には、次のような課題が存在している。すなわち、上記積層体を焼成している間に、電極ペースト中の金属成分がグリーンシート中に拡散してしまう。特に、電極ペーストの金属成分にＡｇやＣｕが含まれている場合には、このような拡散は著しいものとなる。そして、電極ペースト中の金属成分がグリーンシート中に拡散して、ＰＺＴ中に固溶した場合には、拡散した金属成分がグリーンシート中のセラミック粉体のＰｂと置換するため、圧電層の粒界近傍や層表面にＰｂの偏析が生じる。このＰｂの偏析はＰｂＯとして存在し、このＰｂＯの吸湿により圧電部品の絶縁抵抗が劣化してしまうという問題があった。

なお、このようなＰｂＯ偏析の吸湿に起因する絶縁抵抗の劣化は、圧電部品に限ったものではなく、Ｐｂを含むグリーンシートを焼成して得られる層を機能層として含む他の電子部品に関しても同様である。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、絶縁抵抗の劣化の抑制が図られた電子部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電子部品の製造方法は、Ｐｂを含む第１のセラミック粉体を有し、且つ、機能層となるべきグリーンシートを準備する工程と、第１のセラミック粉体よりもＰｂ含有率の低い第２のセラミック粉体を含み、且つ、電極層となるべき電極ペーストを準備する工程と、グリーンシート上に、電極ペーストを塗布する工程と、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを複数枚積層した積層体を形成する工程と、積層体を焼成する工程とを備えることを特徴とする。

この電子部品の製造方法においては、積層体の焼成時にグリーンシートの第１のセラミック粉体から放出されたＰｂは、電極ペースト中の第２のセラミック粉体に吸収される。それにより、ＰｂＯの偏析の発生が抑制され、ＰｂＯに起因する電子部品の絶縁抵抗の劣化が抑えられる。

また、第１のセラミック粉体がペロブスカイト構造であることが好ましい。この場合、十分に実用的な特性を有する電子部品を得ることができる。

また、第１のセラミック粉体の構成元素の種類と、第２のセラミック粉体の構成元素の種類とが同一であることが好ましい。この場合、焼成時におけるグリーンシートと電極ペーストとの間の収縮率の相違が緩和される。

また、電極ペーストがＡｇ又はＣｕの少なくとも一方を含んでいる。この場合、絶縁抵抗の劣化抑制の効果がより顕著となる。

本発明によれば、絶縁抵抗の劣化の抑制が図られた電子部品の製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明に係る電子部品の製造方法を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１に、本発明の実施形態に係る電子部品の概略断面図を示す。図１に示すように、電子部品の一種である積層型圧電アクチュエータ１０は、最外層である２層の表層１１，１１と、表層１１，１１に挟まれた２０層の圧電層（機能層）１２と、上下に配置された圧電層１２のそれぞれの間に介在する内部電極層１４とを有する六面体形状のアクチュエータ素体１６を備えている。すなわち、アクチュエータ素体１６は積層構造を有しており、圧電層１２と内部電極層１４とが交互に積層されている。また、アクチュエータ素体１６の端面のうち、アクチュエータ素体１６の厚さ方向に延在し、互いに対向する一対の端面１６ａ，１６ｂそれぞれには、その端面１６ａ，１６ｂの全領域を覆うように一対の外部電極１８，１８が設けられている。

さらに、上下に配置された内部電極層１４同士は、圧電層１２により互いに電気的に絶縁されており、また、互いに異なる一方の外部電極１８に接続されている。従って、一対の外部電極１８，１８間に所定の電圧を印加した場合には、上下で対向する内部電極層１４の間に挟まれた各圧電層１２には圧電効果によりその厚さ方向の変形が生じる。そして、圧電アクチュエータ１０においては、複数の圧電層１２がその厚さ方向に重ねられているため、大きな変形が得られるようになっている。

表層１１及び圧電層１２は共に、一般式がＰｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３で表される圧電材料を主成分とする層であり、各表層１１の厚さはおよそ６０μｍ、各圧電層１２の厚さはおよそ３０μｍである。これら表層１１及び圧電層１２は、後述するグリーンシートを焼成して形成される。また、内部電極層１４は、Ａｇ及びＰｄを主金属成分として含有する金属層である。

各外部電極１８は、Ａｕをスパッタ成膜したものである。外部電極１８の構成材料には、Ａｕの他に、ＡｇやＣｕを用いることもできる。

以下、上述した圧電アクチュエータ１０を作製する方法について、図２〜図５を参照しつつ説明する。

まず、圧電アクチュエータ１０を作製する手順の説明に先立ち、圧電アクチュエータ１０の作製に必要な２種類のセラミック粉体を準備する手順について、図２のフロー図を参照しつつ説明する。

セラミック粉体の準備には、主原料としてＰｂＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ及びＮｂ_２Ｏ_５を用意して、所定量だけ秤量する。そして、これらの酸化物原料をボールミルで湿式混合した後（ステップ１）、乾燥させる（ステップ２）。その後、仮焼成をおこない（ステップ３）、仮焼成後にボールミルにて湿式粉砕による微粉砕をおこなう（ステップ４）。最後に、混合され微粉砕化された上記酸化物原料を乾燥させることで（ステップ５）、圧電アクチュエータ１０の作製に必要な一般式Ｐｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３で表される第１のセラミック粉体が得られる。

また、上記第１のセラミック粉体と同様の手順により、第１のセラミック粉体とＰｂ含有率のみ異なる第２のセラミック粉体を準備する。この第２のセラミック粉体は、原料の秤量の際にＰｂＯの量を減らすことにより、第１のセラミック粉体よりもＰｂ含有率を低減させたものであるが、この第２のセラミック粉体もやはり一般式Ｐｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３で表される。

続いて、圧電アクチュエータ１０を作製する手順について、図３のフロー図を参照しつつ説明する。

まず、上記第１のセラミック粉体と有機バインダ・有機溶剤等とを混合してスラリー化する（ステップ１１）。そのスラリー化により得られたペーストを、例えばＰＥＴフィルム等のキャリアフィルム上にドクターブレード法を用いてシート成形し、所定厚さのグリーンシート２０を２０枚作製する（ステップ１２）。併せて、グリーンシート２０よりも厚さの厚い、表層１１となるべきグリーンシート２１を２枚準備する。

なお、グリーンシート２０，２１の作製と並行して、内部電極層１４となるべき電極ペースト２２も準備しておく。この電極ペースト２２は、ＡｇとＰｄとが７：３の割合で配合された金属粉体と、有機バインダ・有機溶剤等とを混合したものであり、さらに共材として第２のセラミック粉体を添加したものである。このように、電極ペースト２２への第２のセラミック粉体の添加により、電極ペースト２２とグリーンシート２０との間における収縮率及び焼結開始温度の相違が緩和される。なお、第２のセラミック粉体の添加量は、金属粉体の総重量に対して１０質量％の量である。また、上記金属粉体はＡｇ−Ｐｄ合金の他、ＡｇのみやＣｕのみのものに適宜変更可能である。

そして、図４に示すように、グリーンシート２０の表面２０ａに、スクリーン印刷法により所定パターンの電極ペースト２２を塗布して乾燥させる（ステップ１３）。すなわち、グリーンシート表面２０ａの、１個の圧電アクチュエータに対応する矩形領域２４（例えば、３ｍｍ×１２ｍｍ）のうち３辺の縁領域以外の領域に、電極ペースト２２が塗布される。

そして、以上のような電極ペースト２２が塗布されたグリーンシート２０を、図５（ａ）に示すように、電極ペースト２２が上になるようにしてグリーンシート２１上に積層する。また、同様の製法で作製された２０枚のグリーンシート２０を、電極ペースト２２の位置が交互に変わるように順次積層する（図５（ｂ）参照）。そして、積層されたグリーンシート２０上に何も塗布されていないグリーンシート２１を被せると共に、積層方向からおよそ６０℃、１００ＭＰａの条件下でプレスして、隣り合うグリーンシート２１、グリーンシート２０及び電極ペースト２２を互いに圧着させる。このようにして、グリーンシート２０と電極ペースト２２とが交互に積層された積層体２６が作製される（ステップ１４）。

そして、この積層体２６に対して、大気雰囲気中で、４００℃、１０時間の脱脂処理をおこなう。続いて、１個の圧電アクチュエータに対応する矩形領域２４ごとに切断してチップ化する（図５（ｃ）参照）。その後、チップ化した積層体２６を密閉匣鉢（さや）中で例えば１０５０℃程度で２時間焼成することにより、グリーンシート２１、グリーンシート２０及び電極ペースト２２はそれぞれ上述した表層１１、圧電層１２及び内部電極層１４になり、積層体２６は圧電層１２と内部電極層１４とが交互に積層されたアクチュエータ素体１６になる。なお、電極ペースト２２の金属成分がＣｕである場合には、積層体２６を低酸素雰囲気中で脱脂／焼成する必要がある。

続いて、アクチュエータ素体１６の端面のうち、積層方向に延在し互いに対向する一対の端面１６ａ，１６ｂを覆うように、外部電極１８をスパッタ成膜して、圧電アクチュエータ１０を完成させる（図５（ｄ）参照）。なお、外部電極１８の形成には、焼付や蒸着、無電解メッキ法などを用いることも可能である。

外部電極１８を形成した後、所定の条件下で分極処理(例えば、１２０℃の温度条件下で、３分間程度、電界強度２〜３ｋＶ／ｍｍの電界を印加)することにより、圧電アクチュエータ１０が圧電部品として機能するようになる。

以上で説明した圧電アクチュエータ１０の製造方法に用いる第１のセラミック粉体及び第２のセラミック粉体について説明する。

上述した第１のセラミック粉体及び第２のセラミック粉体は、その仮焼成（図２のステップ３）の際にペロブスカイト型の結晶構造となる。ただし、第１のセラミック粉体は、一般式Ｐｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３で表される圧電材料の化学量論的組成に略一致させた組成となっているのに対し、第２のセラミック粉体は、その化学量論的組成に対してＰｂ含有量を低減させた組成となっている。このような第２のセラミック粉体を、共材として電極ペースト２２中に添加すると、積層体２６を焼成している最中にＰｂＯの偏析が発生する事態が抑制される。これは、電極ペースト２２中の第２のセラミック粉体が、焼成時に圧電層１２から追い出されたＰｂと固溶することによりＰｂを吸収し、圧電層１２の粒界近傍に単独のＰｂＯの偏析が発生するのを防ぐというメカニズムに基づくものであると考えられる。

このようにしてＰｂＯの偏析が抑制されることで、上述した圧電アクチュエータ１０の製造方法によれば、ＰｂＯの吸湿に起因する圧電アクチュエータ１０の絶縁抵抗の劣化や駆動中の素子特性の劣化が抑えられる。

なお、拡散する電極材料（例えば、Ａｇなど）の量を考慮した上で、第１のセラミック粉体のＰｂ含有量を化学量論的組成に対して予め低くしておくという方法も考えられるが、この場合には圧電層１２の焼成温度が高くなるため、融点の高い(例えば、Ｐｄの多い)電極材料を用いなければならず、製造コストが増大する点で好ましくない。

その上、第１のセラミック粉体がペロブスカイト構造であるため、上述した製造方法では、十分に実用的な圧電特性を有する圧電アクチュエータ１０を得ることができる。さらに、第１のセラミック粉体の構成元素の種類と、共材として用いられる第２のセラミック粉体の構成元素の種類とが同一となっているため、焼成時におけるグリーンシート２０，２１と電極ペースト２２との間の収縮率の相違が効果的に緩和されている。

また、電極ペースト２２がＡｇを含んでいるため、圧電アクチュエータ１０は本来ならばＰｂＯの偏析が生じやすくなっているものの、上述した製造方法を用いることでＰｂＯの偏析が抑制されているため、絶縁抵抗の劣化抑制の効果がより顕著となっている。なお、電極ペースト２２がＡｇ又はＣｕの少なくとも一方を含んでいれば、絶縁抵抗の劣化抑制の効果が顕著なものとなる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、電子部品は、圧電アクチュエータに限らず、その他の圧電部品（例えば、圧電ブザー、圧電センサ、発音体など）であってもよく、また圧電層の代わりに誘電層を機能層として含む電子部品（例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３系のセラミックコンデンサなど）であってもよい。また、第２のセラミック粉体を含む共材の結晶構造は、ペロブスカイト構造に限らず、パイロクロア構造（例えば、Ｐｂ_２Ｎｂ_２Ｏ_７など）であってもよい。さらに、電子部品の積層数は、２０層に限定されず、必要に応じて増減させることができる。

以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例および比較例を用いて説明する。

実施例に用いた圧電アクチュエータ試料は、上述した圧電アクチュエータ１０と同様の製造方法により作製した１２ｍｍ×３ｍｍの角板状のものであり、厚さ３０μｍの圧電層を２０層積層したものである。

試料としては、電極ペースト中に混錬した共材（上述した第２のセラミック粉体に相当）のＰｂ含有量が異なる２種類の試料＃１、試料＃２をそれぞれ２０個ずつ用意した。すなわち、試料＃１（比較例）には、共材としてＰｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３の化学量論的組成に対して一致させたものを用い、一方、試料＃２では、共材としてＰｂ[（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_{０．４３５}Ｚｒ_{０．４６５}]Ｏ_３の化学量論的組成に対して任意の量だけＰｂ含有量を低減させたものを用いた。

両試料＃１，＃２について、粒界近傍と粒子内をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＳ）機能付の電子顕微鏡で観察し、それぞれについてＰｂＯの濃度を測定した。その結果、比較例である試料＃１に比べて、Ｐｂ含有量を０．０５％低減させた共材を用いた試料＃２では、明かに粒界近傍のＰｂＯ濃度が減少していることが確認された。また、Ｐｂ量を０．１５％低減させた共材を用いた試料＃２では、粒界近傍と粒子内のＰｂの濃度差がほぼ解消できることが確認された。

また、各試料＃１，＃２について、６０℃、９５％ＲＨの環境中において１０００時間放置した後、その前後における絶縁抵抗値を測定して比較した。その結果、試料＃２では変化が見られなかったが、試料＃１では絶縁抵抗値が試験前に比べて低くなっていた。これは、比較例の試料＃１では、粒界近傍に生じた過剰なＰｂＯ偏析が吸湿をおこし絶縁抵抗値の劣化を招いたものと考えられる。

なお、Ｐｂ含有量を０．１５％を超えて低減させることでより大きな効果が得られるが、内部電極層と圧電層と間の境界付近の焼結性が悪くなって内部電極層と圧電層との間の密着強度が低下する点を考慮すると、共材に用いるＰｂ低減量は１５％以下(より好ましくは１０％以下)とすることが好ましい。

なお、本実施例に使用した共材は、圧電層を構成する圧電材料（第１のセラミック粉体に相当）と同一組成系であるが、圧電材料の主成分(この場合はＰＺＴ)を含んでいる圧電材料であれば、共材は圧電層と全く同一の組成系にしなくても、Ｐｂ含有量が低減していれば上記効果と同様の効果が得られる。

本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの概略断面図である。 図１に示した圧電アクチュエータの作製に用いられるセラミック粉体を作製する手順を示したフロー図である。 図１に示した圧電アクチュエータを作製する手順を示したフロー図である。 グリーンシートの印刷パターンを示した部分拡大図である。 図１に示した圧電アクチュエータを作製する手順を示した図である。

符号の説明

１０…圧電アクチュエータ、１２…圧電層、１４…内部電極層、１８…外部電極、２０，２１…グリーンシート、２２…電極ペースト、２６…積層体。

Claims (2)

1. Ｐｂを含む第１のセラミック粉体を有し、且つ、機能層となるべきグリーンシートを準備する工程と、
   前記第１のセラミック粉体よりもＰｂ含有率の低く、かつ、構成元素の種類が前記第１のセラミック粉体の構成元素の種類と同一である第２のセラミック粉体を含むとともに、酸化されていないＡｇを含み、且つ、電極層となるべき電極ペーストを準備する工程と、
   前記グリーンシート上に、前記電極ペーストを塗布する工程と、
   前記電極ペーストが塗布された前記グリーンシートを複数枚積層した積層体を形成する工程と、
   前記積層体を焼成する工程と、
   を備え、
   前記電極層を還元する工程を備えない、電子部品の製造方法。
2. 前記第１のセラミック粉体がペロブスカイト構造である、請求項１に記載の電子部品の製造方法。

Images