JP5845426B2 - セラミック積層部品 - Google Patents
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Description
本発明は、各種電子機器に用いられるセラミック積層部品であり、特に低温で焼結できるセラミック積層部品に関する。
電子機器の扱う情報量の増大や高速化に伴い、電子機器に搭載されるセラミック積層部品にはより高周波への対応が要求されている。高周波化に対応するためには、セラミック積層部品内部の回路パターンの浮遊容量の低減が効果的である。そのためにはセラミック積層部品に用いる絶縁材料が低誘電率であることが要求される。
また、このようなセラミック積層部品では、その内部に形成される回路パターン配線の材質として、回路内の電気抵抗を小さくするために高導電率を有する銀がよく用いられる。したがって低誘電率の絶縁材料は、銀の融点以下である９００℃前後で焼結、緻密化することが必要である。
このような要件を満たす低誘電率の絶縁材料としては、シリカ、アルミナ、フォルステライト、コーディエライト等のフィラーを加えたほう珪酸ガラス材料がよく知られている。高周波に対応するセラミック積層部品には、ほう珪酸ガラスにフィラーを混合したガラスセラミックがよく用いられる。特に、磁性材料であるフェライトと同時焼成する場合には熱膨張係数を調整するために、結晶性シリカがフィラーとしてよく用いられる。このような低温焼結ガラスは例えば特許文献１に開示されている。
しかしながら、従来のほう珪酸ガラスを低誘電材料としてガラスセラミック層に用いた場合、ほう珪酸ガラス中の広い範囲に銀が拡散する。そのため、セラミック積層部品内で銀のマイグレーション反応が生じてショート等の不良が起こりやすく信頼性が低下する。
特に、ガラスセラミック層とフェライト磁性層とを同時焼成する場合に銀の拡散は促進され、セラミック積層部品の信頼性が著しく低下する。
本発明は、銀のマイグレーションを抑制した信頼性の高いセラミック積層部品である。本発明のセラミック積層部品は、フェライト磁性層と、ほう珪酸ガラスを主成分とし、前記フェライト磁性層と積層され、銀の内部導体が埋設されたガラスセラミック層と、を備え、前記ガラスセラミック層にはアルミニウムと銀とが共存している５μｍ以下の微小領域が存在している。
この構成では、銀はガラスセラミック層のなかで広い範囲に拡散せずに、ほう珪酸ガラスに混合したアルミナ水和物の微小な分散領域にアルミニウムと共に固定される。そのため、電界中、Ｈ2Ｏ存在下でも銀のマイグレーションが抑制される。
以下、本発明のセラミック積層部品として、フェライトグリーンシートとガラスセラミックグリーンシートとを同時焼成して得られるコモンモードノイズフィルターを一例として説明する。図１はセラミック積層部品の断面図、図２はこのセラミック積層部品の分解斜視図、図３はこのセラミック積層部品の外観図である。図１は図２の１−１線における断面を示している。
図１に示すようにセラミック積層部品は、ほう珪酸ガラスを主成分とするガラスセラミック層２０と、フェライト磁性層２１Ａ、２１Ｂと、フェライトビア２２と、銀（Ａｇ）の平面コイル２３Ａ、２３Ｂとを有する。ガラスセラミック層２０内にはアルミニウム（Ａｌ）とＡｇが共存する微小領域１０が分散している。フェライト磁性層２１Ａ、２１Ｂはガラスセラミック層２０を挟んでいる。
図１、図２に示すように、平面コイル２３Ａは層２０Ｄに形成され、引き出し導線２５Ａは層２０Ｅに形成されている。平面コイル２３Ａの一方の端部は、Ａｇビア電極２４Ａから、引き出し導線２５Ａを介して、図３に示す外部端面電極２６のうちの１つに電気的に接続されている。平面コイル２３Ｂは層２０Ｃに形成され、引き出し導線２５Ｂは層２０Ｂに形成されている。平面コイル２３Ｂの一方の端部２３２Ｂは、Ａｇビア電極２４Ｂ、引き出し導線２５Ｂを介して、外部端面電極２６のうちの他の１つに電気的に接続されている。平面コイル２３Ａ、２３Ｂの他方の端部２３１Ａ、２３１Ｂは外部端面電極２６の残りの２つに電気的に接続されている。層２０Ａ〜２０Ｅはガラスセラミック層２０を形成する。
次にこのような構成のセラミック積層部品の製造プロセスの例を説明する。まず、ガラスセラミック層２０の原材料となるほう珪酸ガラス粉末と結晶質シリカ粉末とＡｌ（ＯＨ）3粉末を混合した混合粉末を、バインダーと、溶剤と混合してセラミックスラリーを作製する。混合粉末は、例えば６８．５重量％のほう珪酸ガラス粉末と、２９重量％の結晶質シリカ粉末と、２．５重量％のＡｌ（ＯＨ）3粉末で構成されている。バインダーとしては、例えばアクリル樹脂、溶剤としては、例えばトルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル等が用いられる。調製されたセラミックスラリーをドクターブレード法により、例えば２５μｍ程度の厚みになるようシート成形してガラスセラミック層２０に用いるガラスセラミックグリーンシートを作製する。
同様に、９００℃以下で焼成可能なＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライト粉末とバインダーと、溶剤とを、ボールミルを用いて混合してセラミックスラリーを作製する。バインダーとしては、例えばブチラール樹脂とフタル酸系の可塑剤が、溶剤としては、例えば酢酸ブチル、ブタノール等が用いられる。調製されたセラミックスラリーから、ドクターブレード法により、例えば５０〜１００μｍ程度の厚みになるようシート成形してフェライト磁性層２１Ａ、２１Ｂに用いるフェライトのグリーンシートを作製する。
次に、ガラスセラミックグリーンシートに、Ａｇビア電極２４Ａ、２４Ｂとなる、層間の電気的接続のためのビア電極を、Ａｇペーストを用いて層２０Ｂ、２０Ｄに形成する。また、平面コイル２３Ａ、２３Ｂとなる、Ａｇの平面コイル導体を印刷法もしくは転写法を用いて層２０Ｃ、２０Ｄに形成する。また引き出し導線２５Ａ、２５Ｂとなる導体部を、Ａｇペーストを用いて層２０Ｂ、２０Ｅに形成する。そして図２の構成になるように順次、２枚のフェライトグリーンシートと各ガラスセラミックグリーンシートを積層して積層体を作製する。フェライトビア２２は、平面コイルの軸近傍に穴をあけ、そこにフェライトペーストを充填して形成する。
次に作製された積層体を９００℃で焼成して、ガラスセラミック層２０中に二つの平面コイル２３Ａ、２３Ｂを埋設した積層構造体である積層焼成体を作製する。この積層焼成体の外部側面に露出した引き出し導線２５Ａ、２５Ｂ、および端部２３１Ａ、２３１Ｂの端面に、電気的に接続されるようにＡｇペーストを端面塗布してＡｇメタライズ層を形成する。さらに、Ｎｉめっき、Ｓｎめっきを施して外部端面電極２６を形成する。
なお、ガラスセラミックグリーンシート、フェライトグリーンシートに用いるバインダーとしては、適量の可塑剤を用いて積層性が制御されたブチラール樹脂系およびアクリル系のバインダーを用いることができる。すなわち、通常用いられるバインダーを用いて良く、特に限定されない。
また、溶剤としては、エステル系、ケトン系、アルコール系の溶剤を用いることができ、必要に応じて乾燥速度を制御するための高沸点溶剤を用いてもよい。エステル系の溶剤は、例えば酢酸エチル、酢酸ブチル、ケトン系の溶剤は、例えばトルエン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、アルコール系の溶剤は、例えばイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、ブタノールである。このように溶剤は特に限定されない。
また、混合の方法は、ボールミル以外にも媒体攪拌ミル等の一般に知られている方法を用いてもよく、特に限定されない。また、シート形成方法は、ドクターブレード法以外にも加圧シート成型等の一般に知られている方法を用いてもよく、特に限定されない。
本実施の形態では、Ａｇビア電極２４Ａ、２４Ｂや平面コイル２３Ａ、２３Ｂを構成するＡｇが焼結時にガラスセラミック層２０のなかで広い範囲に拡散しない。そしてほう珪酸ガラスに混合したアルミナ水和物（Ａｌ（ＯＨ）3粉末）の微小な分散領域に、ＡｇがＡｌと共に固定される。結果としてセラミック積層部品のガラスセラミック層２０はＡｌとＡｇが共存する微小領域１０が分散した構造を有する。そのため、電界中、Ｈ2Ｏ存在下でもＡｇのマイグレーションが抑制される。
次に上述のようにしてセラミック積層部品（サンプルＡ）を作製し、その効果を確認した結果を説明する。比較のため、Ａｌ（ＯＨ）3粉末を添加しないガラスセラミックグリーンシートを用いたセラミック積層部品（サンプルＢ）を作製、評価している。また、Ａｌ（ＯＨ）3粉末の代わりに等量分のＡｌ2Ｏ3粉末を添加したガラスセラミックグリーンシートを用いたセラミック積層部品（サンプルＣ）を作製、評価している。さらに、フェライトグリーンシートを使用せず、サンプルＢで用いたガラスセラミックグリーンシートのみを用いて平面コイルを内蔵したセラミック積層部品（サンプルＤ）を作製、評価している。これはフェライトとの同時焼成しない場合と比較するためである。これらのサンプルは使用した材料以外は同様のプロセスを経て作製している。
まずサンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣ、サンプルＤの断面をエネルギー分散型の元素マッピング分析を行う。その結果、サンプルＡではＡｇが検出できないガラスセラミック層２０のマトリックス中にＡｌとＡｇが共存する５μｍ以下の微小領域１０が分散している。それに対して、サンプルＢではＡｇがガラスセラミック層の広範囲に拡散し、かつ一部Ａｇが強く検出される微小領域が観察される。サンプルＣでは、Ａｌのみが検出される微小領域とＡｇが強く検出される微小領域が観察され、Ａｇはガラスセラミック層中に広い範囲に拡散している。サンプルＤでは、ガラスセラミック層中にＡｇはほとんど検出できない。このことはフェライトとの同時焼成において、Ａｇの拡散が促進されることを示唆している。このように、フェライトとの同時焼成時にガラスセラミック層２０中にアルミナ水和物を添加した場合にのみ、フェライトとの同時焼成で拡散が促進されたＡｇがＡｌに固着されている。
（表１）に、各々１００個のセラミック積層部品に対してプレッシャークッカーバイアステストによる信頼性試験（ＰＣＢＴ試験）を行い、その結果を不良率で示す。ＰＣＢＴ試験では、平面コイル２３Ａ、２３Ｂの間に５Ｖの印加電圧をかけた状態で、２気圧、湿度８５％、温度１２５℃の環境下で４８時間放置する。その結果、絶縁抵抗が、１×１０６Ω以下に低下したものを不良と判断する。
フェライトと同時焼成しないサンプルＤの場合は、ガラスセラミック層中にＡｇがほとんど拡散していないのでＰＣＢＴ試験では不良が発生していない。フェライトとの同時焼成したサンプルＢ、サンプルＣの場合、Ａｇがガラスセラミックス層中に広い範囲で拡散していたためＰＣＢＴ試験で不良が発生している。これに対しサンプルＡではガラスセラミック層２０にアルミナ水和物であるＡｌ（ＯＨ）3を添加している。これにより、ガラスセラミック層２０中でＡｇがＡｌに固着され、ＰＣＢＴ試験で不良が発生していない。このように本実施の形態では高信頼性のセラミック積層部品を作製できる。
なお、ほう珪酸ガラスは、ＳｉＯ2を骨格として、ほう素（Ｂ）を添加され、９００℃以下で軟化溶融するガラスである。他に微量のＡｌやＫのようなアルカリ、Ｃａ等のアルカリ土類等が少量添加されていても良い。ほう珪酸ガラス中のＢの組成は、酸化物換算で１５重量％以上、２８重量％以下であることが望ましい。ほう珪酸ガラス中のＢの組成が酸化物換算で１５重量％より少ないと、ガラスの軟化点が高温になり充分に緻密な焼成体が得られない。またほう珪酸ガラス中のＢの組成が酸化物換算で２８重量％を超えると、ガラス粉末の安定的な製造が困難になる。
また、結晶質シリカ粉末の含有量は２０重量％以上、４０重量％以下としている。２０重量％未満では、フェライトとの熱膨張係数の差が大きくなりすぎて、同時焼成時にガラスセラミック層に亀裂が生じる可能性が高まる。４０重量％を超えると、ガラスセラミック層２０の焼結が充分に進行せず、充分に緻密なガラスセラミック層２０が得られない。結晶質シリカ粉末を２０重量％加えた場合に、ガラスセラミックの熱膨張係数は、５４×１０-7／℃であり、それ以上の熱膨張係数であれば、ガラスセラミック層２０に亀裂が入らず、フェライトと同時焼成が可能である。
また、Ａｌ（ＯＨ）3の代わりにアルミナ水和物であるＡｌＯＯＨでもサンプルＡと同様のプロセスを経てサンプルＥを作製し、ＰＣＢＴ試験を実施した場合でも不良率はゼロである。このように、ＡｌＯＯＨを用いた場合でも高信頼性のあるセラミック積層部品を作製することができる。なおＡｌＯＯＨとＡｌ（ＯＨ）3を併用しても不良率はゼロである。このようにＡｌＯＯＨ、Ａｌ（ＯＨ）3の少なくともいずれかであるアルミナ水和物粉末をガラスセラミックグリーンシートに添加すればよい。ただし、Ａｌ（ＯＨ）3はさらに生産性に優れているため、望ましい。
なお、添加したアルミナ水和物がアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）になるためには、１０００℃以上の高温にする必要がある。本実施の形態では、Ａｇと同時焼成するためにＡｇの融点以下、望ましくは９００℃付近で焼成する。したがって焼成後のガラスセラミック層２０中のアルミナ水和物はアルミナになっていない。Ｘ線回析による分析においてもアルミナは検出されていない。このように本実施の形態におけるアルミナ水和物の添加は、通常、ガラス材料のフィラーとして用いられるアルミナの添加とは全く作用が異なっている。
次にアルミナ水和物の配合量に関して検討した結果を説明する。ガラスセラミック層２０を形成するグリーンシートに配合するほう珪酸ガラスと結晶性シリカの配合比を７０：３０の重量比に固定して、Ａｌ（ＯＨ）3を０．１重量％〜５重量％までの範囲で配合する。この条件で、総量１００重量％とした混合粉末を用いて、サンプルＡと同様のプロセスを経て積層セラミック部品を作製し（サンプルＦ〜サンプルＲ）、ＰＣＢＴ試験を実施する。その結果を（表２）に示す。
（表２）に示すように、Ａｌ（ＯＨ）3の配合量（添加量）が、０．５重量％以上、４．５重量％以下の範囲で不良率がゼロである（サンプルＧ〜サンプルＮ）。配合量が０．１重量％のサンプルＦでは、Ａｇがガラスセラミック層中に広い範囲で検出されている。これはＡｌ（ＯＨ）3の配合量が少ないためアルミナ水和物の効果が不充分であるためと考えられる。また、配合量が５重量％のサンプルＰでは、ＡｌとＡｇの共存する微小領域が連結している箇所が観察される。Ａｌ（ＯＨ）3の配合量が多すぎるとこのような現象が生じ、不良率が増大すると考えられる。以上から、ガラスセラミック層２０を形成するガラスセラミックグリーンシートのセラミック成分におけるＡｌ（ＯＨ）3の配合量は０．５重量％以上、４．５重量％以下とする必要がある。なおデータは示さないが、ＡｌＯＯＨを用いた場合でもモル分率換算でこの配合量の範囲とする必要があることを確認している。
次に、アルミナ水和物以外の添加物を混合しても、アルミナ水和物の効果が認められることを説明する。
ガラスセラミック層用のグリーンシートに配合するほう珪酸ガラスと結晶性シリカとＭｇ（ＯＨ）2とＡｌ（ＯＨ）3の配合比を６８：２８：２：２の重量比で配合した混合粉末を調製する。この混合粉末を用いて、サンプルＡと同様なプロセスを経て積層セラミック部品を作製する（サンプルＱ）。
また比較のため、ガラスセラミック層用のグリーンシートに配合するほう珪酸ガラスと結晶性シリカとＭｇ（ＯＨ）2の配合比を６９：２９：２の重量比で配合した混合粉末を調製する。この混合粉末を用いて、サンプルＡと同様のプロセスを経てセラミック積層部品を作製する（サンプルＲ）。これらのサンプルを用いて、ＰＣＢＴ試験を実施する。その結果を（表３）に示す。
ほう珪酸ガラスを用いたグリーンシートは、保管中にグリーンシート上にほう酸が析出しやすい。ほう酸が析出したグリーンシートを用いたセラミック積層部品では、積層面にポアが形成され信頼性が劣化する。このほう酸析出を抑制するためには、特にＭｇ（ＯＨ）2の添加が有効である。
しかしながらＭｇ（ＯＨ）2を添加しＡｌ（ＯＨ）3を添加しないサンプルＲでは、ＰＣＢＴ試験で不良が発生している。一方、Ｍｇ（ＯＨ）2とＡｌ（ＯＨ）3を添加しているサンプルＱでは、サンプルＡと同様に不良が発生していない。このように、Ｍｇ（ＯＨ）2を含んでいる場合でも、Ａｌ（ＯＨ）3を配合することによって、信頼性が高まる。上述のようにＭｇ（ＯＨ）2を添加することでほう酸の析出を抑制できるため、アルミナ水和物とＭｇ（ＯＨ）2との同時添加は、信頼性の高いセラミック積層部品を作製するための効果が大きい。
またＭｇ（ＯＨ）2以外にも、ＣａＣＯ3等の他の物質を少量配合しても、アルミナ水和物による効果が発揮されることを確認している。
なお、以上の実施の形態ではセラミック積層部品としてコモンモードノイズフィルターを一例として説明した。しかしながら本発明はこれに限定されない。回路配線パターン内で電位差が生じる回路を内蔵するセラミックフィルターやセラミック多層基板のような他のセラミック積層部品についても同様に適用可能である。
また本実施の形態ではガラスセラミック層２０をフェライト磁性層２１Ａ、２１Ｂで挟んだ構造を説明したが、本発明はこれに限定されない。ガラスセラミック層とフェライト磁性層とが接して焼結される場合に適用可能である。
本発明によるセラミック積層部品は、フェライト磁性層と、ほう珪酸ガラスを主成分とし、Ａｇの内部導体を含有するガラスセラミック層とで構成されている。このガラスセラミック層を形成するガラスセラミックグリーンシートにアルミナ水和物を配合することによって、ガラスセラミック層はＡｌとＡｇが共存する微小領域が分散した状態になる。その結果、信頼性の高いセラミック積層部品を作製することができるため、高周波に対応したセラミック積層部品として有用である。
１０ ＡｌとＡｇが共存する微小領域
２０ ガラスセラミック層
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 層
２１Ａ，２１Ｂ フェライト磁性層
２２ フェライトビア
２３Ａ，２３Ｂ 平面コイル
２４Ａ，２４Ｂ Ａｇビア電極
２５Ａ，２５Ｂ 引き出し導線
２６ 外部端面電極
２３１Ａ，２３１Ｂ，２３２Ｂ 端部
２０ ガラスセラミック層
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 層
２１Ａ，２１Ｂ フェライト磁性層
２２ フェライトビア
２３Ａ，２３Ｂ 平面コイル
２４Ａ，２４Ｂ Ａｇビア電極
２５Ａ，２５Ｂ 引き出し導線
２６ 外部端面電極
２３１Ａ，２３１Ｂ，２３２Ｂ 端部
Claims (4)
- フェライト磁性層と、
ほう珪酸ガラスを主成分とし、結晶質シリカを含有し、前記フェライト磁性層と積層され、銀の内部導体が埋設されたガラスセラミック層と、を備え、
前記ガラスセラミック層にはアルミニウムと銀とが共存している５μｍ以下の微小領域が存在し、かつＸ線回析による分析でアルミナが検出されない
セラミック積層部品。 - フェライト磁性層と、
ほう珪酸ガラスを主成分とし、結晶質シリカを含有し、前記フェライト磁性層と積層され、銀の内部導体が埋設されたガラスセラミック層と、を備え、
前記ガラスセラミック層において、銀が検出できないガラスセラミックのマトリックス中にアルミニウムと銀が共存する５μｍ以下の微小領域が分散しているセラミック積層部品。 - フェライト磁性層と、
ほう珪酸ガラスを主成分とし、マグネシウムが配合され、前記フェライト磁性層と積層され、銀の内部導体が埋設されたガラスセラミック層と、を備え、
前記ガラスセラミック層にはアルミニウムと銀とが共存している５μｍ以下の微小領域が存在し、かつＸ線回析による分析でアルミナが検出されない
セラミック積層部品。 - フェライト磁性層と、
ほう珪酸ガラスを主成分とし、マグネシウムが配合され、前記フェライト磁性層と積層され、銀の内部導体が埋設されたガラスセラミック層と、を備え、
前記ガラスセラミック層において、銀が検出できないガラスセラミックのマトリックス中にアルミニウムと銀が共存する５μｍ以下の微小領域が分散しているセラミック積層部品。
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