JP5876177B2

JP5876177B2 - セラミックコンデンサ

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Publication number: JP5876177B2
Application number: JP2015051795A
Authority: JP
Inventors: 高橋　巧; 巧高橋
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: JP2015135985A

Description

本発明は、電子機器の電源回路等に用いられるセラミックコンデンサに関する。

種々の電子機器において、電源回路等の大電流回路にセラミックコンデンサが用いられている。図７に示すように、特許文献１には、外部端子を備えたセラミックコンデンサの一例が開示されている。具体的には、一部が端面１１５に露出するような態様でセラミック内に内部電極（図示省略）が配設された構造を有するコンデンサ素子１１１と、コンデンサ素子１１１の端面１１５に露出した内部電極と導通するように、コンデンサ素子１１１の端面１１５にはんだ１１８により接合された、金属線材からなる外部端子１１７と、を具備する面実装型セラミックコンデンサ１１０である。該セラミックコンデンサ１１０においては、電子機器等に用いられる汎用のリード線からなる金属線材を曲げ加工した外部端子１１７を用いることで、金属板からなる外部端子を備えた従来のセラミックコンデンサ（図示省略）に比較して、形状や寸法の変更が容易である。

特開２０００−２２３３５８号公報

上述の金属板からなる外部端子を備えた従来のセラミックコンデンサにおいては、外部端子の変形や振動に伴う応力がコンデンサ素子に作用した際に、セラミック素体にひび割れが生じる虞がある。また、金属線材を曲げ加工して外部端子として用いた背景技術に記載のセラミックコンデンサ１１０においては、外部端子として充分な断面積を確保することが難しいため、振動等により外部端子が変形して周囲の電子部品との距離が接近したり、大電流を印加した際に外部端子に発熱が生じて電子機器の消費電力が増大したりする等の課題がある。

本発明は、外部端子の変形や振動に伴う応力がセラミックコンデンサ素子のセラミック誘電体層に局部的に作用してセラミック素体にひび割れが生じるのを抑制することが可能なセラミックコンデンサを提供することを目的とする。

本発明は、（１）セラミック誘電体層と、セラミック誘電体層を挟んで互いに対向する内部電極本体及び内部電極本体から交互に導出される引き出し部を備える内部電極と、を有し、幅寸法および長さ寸法に比べて厚さ寸法が小さい平板形状のセラミック素体と、セラミック素体の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成され内部電極の引き出し部に導電接続された帯状の一対の外部電極と、を備えるコンデンサ素子と、コンデンサ素子の外部電極にそれぞれロウ材を介して導電固着された複数の帯状の金属板と、前記複数の金属板の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれロウ材を介して導電固着されかつそれぞれ先端部の近傍で相互に連結された少なくとも一対の金属端子と、を備える。（以下、本発明の第１の技術手段と称する。）

また、上記セラミックコンデンサの主要な形態の一つは、第１の技術手段に加えてさらに、（２）帯状の金属板は４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなり、帯状の金属板に導電固着される金属端子は銅からなる。（以下、本発明の第２の技術手段と称する。）

また、上記セラミックコンデンサの他の主要な形態の一つは、第１の技術手段に加えてさらに、（３）帯状の金属板の線膨張係数はセラミック誘電体層の線膨張係数より小さい。（以下、本発明の第３の技術手段と称する。）

また、上記セラミックコンデンサの他の主要な形態の一つは、（４）第１の技術手段に加えてさらに、厚さ方向に複数のコンデンサ素子を備え、各コンデンサ素子はそれぞれ独立した帯状の金属板を介して金属端子に導電固着されている。（以下、本発明の第４の技術手段と称する。）

上記第１の技術手段による作用は次の通りである。すなわち、セラミックコンデンサが、平板形状のセラミック素体と、セラミック素体にそれぞれ形成された帯状の一対の外部電極と、を備えるコンデンサ素子と、コンデンサ素子の外部電極に導電固着された少なくとも一対の帯状の金属板と、金属板の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれロウ材を介して導電固着された少なくとも一対の金属端子と、を備えるので、金属端子の変形や振動に伴う応力が前記帯状の金属板を介して金属板の長手方向に分散され、コンデンサ素子の帯状の外部電極の全体に亘って、緩和された状態で伝達される。このため、金属端子の変形に伴う応力がセラミック誘電体層に局部的に作用してセラミック素体にひび割れが生じるのを防止することができる。

上記第２の技術手段による作用は次の通りである。すなわち、前記帯状の金属板は４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなり、前記帯状の金属板に導電固着される金属端子は銅からなるので、印加された電流は、体積抵抗率が１．７１μΩ・ｃｍと良好な銅からなる金属端子の中を複数経路で通過する。また、銅に比べて体積抵抗率がやや高い４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなる帯状の金属板の中をその厚さ方向に通過する。このため、大電流を印加した際の発熱を抑制することができる。

上記第３の技術手段による作用は次の通りである。すなわち、フロー半田付け等による加熱冷却時に、線膨張係数の大きな基板や金属端子に起因する応力が線膨張係数の小さい帯状の金属板で一旦減衰され、緩和された後に、コンデンサ素子の外部電極を介してセラミック素体に伝達される。このため、セラミック誘電体層と金属端子との線膨張係数の差に起因する応力によってセラミック素体にひび割れが生じるのを防止することができる。

上記第４の技術手段による作用は次の通りである。すなわち、コンデンサ素子毎に帯状の金属板による長手方向への応力分散のメカニズムが独立して働く。このため、上下のコンデンサ素子間で温度環境が異なった場合でも、温度環境の差に起因する金属端子と帯状の金属板との間の応力の発生が抑制される。

本発明のセラミックコンデンサは、金属端子の変形や振動に伴う応力が帯状の金属板を介して該金属板の長手方向に分散され、コンデンサ素子の帯状の外部電極の全体に亘って、緩和された状態で伝達されるので、金属端子の変形に伴う応力がセラミック誘電体層に局部的に作用してセラミック素体にひび割れが生じるのを防止することができる。

本発明のセラミックコンデンサの第１の実施形態を示す外観斜視図である。上記実施形態の内部構造を示す分解斜視図である。上記実施形態の内部構造を示す図１のＡ−Ａ線における縦断面図である。本発明のセラミックコンデンサの第２の実施形態を示す外観斜視図である。本発明のセラミックコンデンサの第３の実施形態を示す外観斜視図である。本発明のセラミックコンデンサの第４の実施形態を示す外観斜視図である。背景技術のセラミックコンデンサの一例を示す外観斜視図である。

次に、本発明のセラミックコンデンサの第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施形態のセラミックコンデンサ１０を示す外観斜視図である。図２はセラミックコンデンサ１０の内部構造を説明するための分解斜視図である。図３はセラミックコンデンサ１０の内部構造を説明するための図１のＡ−Ａ線における縦断面図である。

本実施形態のセラミックコンデンサ１０は、平板状のセラミック素体１２と、セラミック素体１２の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成された帯状の一対の外部電極１５，１５と、を備えるコンデンサ素子１１と、コンデンサ素子１１の外部電極１５，１５に導電固着された一対の帯状の金属板１６，１６と、帯状の金属板１６，１６の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれ導電固着された複数の金属端子１７，１７と、を備える。具体的には、セラミック素体１２は、複数のセラミック誘電体層１３，１３と、誘電体層１３，１３を挟んで互いに対向する内部電極本体１４ａ，１４ａ及び内部電極本体１４ａ，１４ａから交互に延出された引き出し部１４ｂ，１４ｂを備える内部電極１４，１４と、を有し、その外観は幅寸法および長さ寸法に比べて厚さ寸法が小さい平板状を呈している。一対の外部電極１５，１５は、セラミック素体１２の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成されて、セラミック素体１２の内部電極１４，１４の引き出し部１４ｂ，１４ｂに導電接続されており、その外観は帯状を呈する。一対の帯状の金属板１６，１６は、コンデンサ素子１１の外部電極１５，１５にロウ材１８ａ，１８ａによりそれぞれ導電固着されている。本実施形態においては、コンデンサ素子１１の一対の外部電極１５，１５のそれぞれに対し、それぞれ１つの帯状の金属板１６が導電固着されている。複数の金属端子１７，１７は、コンデンサ素子側の基端部１７ａと、基板等の実装箇所に半田付けされる先端部１７ｂと、基端部１７ａと先端部１７ｂとの間に設けられた屈曲部１７ｃとを有する。複数の金属端子１７，１７は、それぞれ基端部１７ａ，１７ａが帯状の金属板１６，１６の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれロウ材１８ｂ，１８ｂにより導電固着されており、セラミックコンデンサ１０全体としてＤＩＰ（デュアルインラインパッケージ）状の外観を有する。本実施形態においては、１つの帯状の金属板１６に対し、その長手方向の１３箇所に１３本の金属端子１７，１７が互いに離間してそれぞれ導電固着されている。

また、本実施形態のセラミックコンデンサ１０においては、帯状の金属板１６，１６が、４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなり、複数の金属端子１７，１７が銅からなる。より詳細には、ＪＩＳ規格のＣ１０２０、Ｃ１１００のうちの何れか１種からなる。

また、本実施形態のセラミックコンデンサ１０においては、帯状の金属板１６，１６の線膨張係数がセラミック誘電体層１３，１３の線膨張係数より小さい。

次に、本発明の第２の実施形態のセラミックコンデンサ２０について、図４を参照して説明する。図４は本実施形態のセラミックコンデンサ２０の外観斜視図である。なお、先の第１の実施形態と共通する箇所には同じ符号を付した。本実施形態のセラミックコンデンサ２０は、平板状のセラミック素体１２と、セラミック素体１２の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成された帯状の一対の外部電極１５，１５と、を備えるコンデンサ素子１１と、コンデンサ素子１１の外部電極１５，１５に導電固着された一対の帯状の金属板１６，１６と、帯状の金属板１６，１６の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれ導電固着された一対の金属端子２７，２７と、を備える。

本実施形態のセラミックコンデンサ２０は、
金属端子として、基端部２７ａおよび屈曲部２７ｃを有する複数の端子片がそれぞれ先端部２７ｂ、２７ｂの近傍で連結部２７ｄ、２７ｄにより相互に連結された一体型の一対の金属端子２７，２７を備える点で、先の第１の実施形態と異なる。本実施形態によれば、複数の端子片がそれぞれ先端部２７ｂ、２７ｂの近傍で連結部２７ｄ、２７ｄにより相互に連結された一体型の金属端子２７を用いているので、セラミックコンデンサの組み立て時に帯状の金属板と金属端子との導電固着を容易かつばらつきなく行うことができ、安定生産に好適な構造である。その他の構成については、先の第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、本発明の第３の実施形態のセラミックコンデンサ３０について、図５を参照して説明する。図５は本実施形態のセラミックコンデンサ３０の外観斜視図である。なお、先の第１の実施形態と共通する箇所には同じ符号を付した。本実施形態のセラミックコンデンサ３０は、平板状のセラミック素体１２と、セラミック素体１２の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成された帯状の一対の外部電極１５，１５と、を備えるコンデンサ素子１１と、コンデンサ素子１１の外部電極１５，１５に導電固着された２対の帯状の金属板３６，３６と、帯状の金属板３６，３６の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれ導電固着された複数の金属端子３７，３７と、を備える。

本実施形態のセラミックコンデンサ３０は、コンデンサ素子１１の一対の外部電極１５，１５のそれぞれに対し、帯状の２枚の金属板３６，３６がそれぞれ導電固着されている。また、それぞれの帯状の金属板３６，３６に対し、その長手方向の６箇所に６本の金属端子３７，３７が互いに離間してそれぞれ導電固着されている点で、先の第１の実施形態と異なる。

本実施形態によれば、コンデンサ素子１１の一対の外部電極１５，１５のそれぞれに対し、長手方向の２箇所に、帯状の２枚の金属板３６，３６が互いに離間してそれぞれ導電固着されているので、セラミック誘電体層１３，１３の線膨張係数と帯状の金属板３６，３６の線膨張係数との差に起因する応力を軽減することができ、温度環境の変化が厳しい条件下での使用に好適な構造である。その他の構成については、先の第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、本発明の第４の実施形態のセラミックコンデンサ４０について、図６を参照して説明する。図６は本実施形態のセラミックコンデンサ４０の外観斜視図である。本実施形態のセラミックコンデンサ４０は、平板状のセラミック素体４２と、セラミック素体４２の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成された帯状の一対の外部電極４５，４５と、を備えるコンデンサ素子４１，４１を厚さ方向に複数備え、コンデンサ素子４１，４１の外部電極４５，４５にそれぞれ導電固着された帯状の金属板４６，４６と、帯状の金属板４６，４６の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれ導電固着された複数の金属端子４７，４７と、を備える。

本実施形態のセラミックコンデンサ４０は、厚さ方向に配列された複数のコンデンサ素子４１，４１の一対の外部電極４５，４５のそれぞれに対し、それぞれ１つの帯状の金属板４６，４６が導電固着されている。また、複数の金属端子４７，４７がそれぞれ屈曲部を有さない短冊状の外観を有しており、厚さ方向に配列された複数のコンデンサ素子４１，４１は、それぞれ独立した帯状の金属板を介して、互いに共通する複数の金属端子４７，４７に導電接続されている点で先の第１の実施形態と異なる。

本実施形態によれば、厚さ方向に配列された複数のコンデンサ素子を備え、コンデンサ素子毎に帯状の金属板による長手方向への応力分散のメカニズムが独立して働く。このため、上下のコンデンサ素子間で温度環境が異なった場合でも、温度環境の差に起因する金属端子と帯状の金属板との間の応力の発生が抑制される。大電流回路や過酷な環境下での使用に適した構造である。その他の構成については、先の第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、上記各部の好ましい実施形態について説明する。尚、コンデンサ素子の帯状の外部電極に沿う方向を幅寸法、外部電極と直交するセラミック素体の端面に沿う方向を長さ寸法、セラミック素体の内部電極と直交する方向を厚さ寸法とする。

上記セラミックコンデンサに用いるコンデンサ素子としては、幅寸法Ｗ及び長さ寸法Ｌに比べて厚さ寸法Ｔが小さい平板形状を成すことが好ましい。コンデンサ素子の外形寸法は、例えばＬ＝２１．０ｍｍ、Ｗ＝２１．０ｍｍ、Ｈ＝４．５ｍｍである。

上記セラミック誘電体層としては、特に規定はないが、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系セラミックのほか、Ｂａの一部をＣａやＳｒで置換するとともにＴｉの一部をＺｒで置換した（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ_３系セラミック等の中から使用電子回路の耐電圧特性や温度特性等を考慮して適宜選択して用いることが好ましい。尚、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）からなるセラミック誘電体層の線膨張係数は例えば特開平１０−１０１３６１に記載されているように約１２．５×１０^−６／℃である。また、セラミック誘電体層の厚さは例えば３〜１００μｍである。

上記内部電極としては、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ、Ｐｄ，Ｃｕ等の貴金属もしくはこれらの合金や、Ｎｉ，Ａｌ等の卑金属の中から適宜選択して使用することが好ましい。内部電極の厚さは例えば０．４〜２．０μｍである。

上記外部電極としては、特に規定はないが、セラミック誘電体層や内部電極層からなるセラミック素体と同時焼成可能な電極材料を用いてもよいし、また焼成により得られたセラミック素体の端面に塗布・焼付けにより形成することが可能な電極材料を用いてもよい。上記同時焼成可能な電極材料としては、内部電極と同様な金属もしくは合金を主成分とするものが好ましい。また、塗布・焼付けにより形成することが可能な電極材料としては、ＡｇまたはＡｇ合金を主成分とするものが好ましい。また、上記外部電極はセラミック素体の互いに対向する一対の端面に帯状に形成されることが好ましいが、帯状に限定するものではなく、一対の端面に隣接する端面や上下の主面に回り込み部分を有するものであってもよい。

上記帯状の金属板の材質としては、４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなることが好ましい。４２アロイ（４２Ｎｉ−Ｆｅ）の線膨張係数は、約４．３×１０^−６／℃、体積抵抗率は約７０μΩ・ｃｍである。上記帯状の金属板の幅および長さは、コンデンサ素子の外部電極の幅および長さと同等もしくはこれより小さいことが好ましい。また、帯状の金属板の厚さは、１５０μｍ〜８００μｍが好ましく。３００μｍ〜５００μｍがより好ましい。上記帯状の金属板の寸法は、例えば、幅２．５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ４００μｍである。

上記金属端子の材質としては、銅が好ましく、より具体的には、ＪＩＳ規格のＣ１０２０、Ｃ１１００のうちの何れか１種からなることが好ましい。銅（Ｃ１０２０，Ｃ１１００）の線膨張係数は、１７．７×１０^−６／℃、体積抵抗率は約１．７１μΩ・ｃｍである。上記金属端子の形状としては、特に限定はない。

外部電極と帯状の金属板との導電固着や帯状の金属板と金属端子との導電固着に用いるロウ材としては、銀ロウ、ＢＡｇ−８、ＢＡｇ−１８、ＢＡｇ−２１等を用いることが好ましい。

次に、本発明のセラミックコンデンサの一実施例について、図１〜図３を参照して説明する。まず、ＢａＴｉＯ_３系セラミックの材料粉末にバインダー及び溶剤を添加・混合してセラミックグリーンシートを作成した。次に、得られたグリーンシート上に、Ｎｉを主成分とする内部電極材料ペーストを塗布して、内部電極本体と内部電極本体から延出された引き出し部とを有する内部電極パターンを形成した。次に、得られた内部電極パターン付きのセラミックグリーンシートを引き出し部が交互に突出するように重ね、その上下に内部電極を有さないグリーンシートを積層し、圧着した後、コンデンサ素子単位に切断し、４００℃で脱バインダー処理した後、１３５０℃で焼成して、幅３５ｍｍ、長さ３５ｍｍ、厚さ４．５ｍｍの平板形状のセラミック素体１２を得た。次に、得られたセラミック素体１２の内部電極１４の引き出し部１４ｂが露出する互いに対向する一対の端面にそれぞれＣｕを主成分とする外部電極用材料ペーストを転写法により塗布し、焼付処理して帯状の一対の外部電極１５，１５を形成してコンデンサ素子１１を得た。次に、得られたコンデンサ素子１１の帯状の外部電極１５，１５と、これに対向するように幅１．５ｍｍ、長さ７ｍｍ、厚さ４００μｍの銅（ＪＩＳ：Ｃ１０１０）からなる端子片をクランク状にプレス成形して得られた複数の金属端子１７，１７を外部電極１５の長手方向に沿って２．５ｍｍ間隔で互いに離間した状態に図示省略した保持手段で保持し、両主面に銀系のロウ材を塗布した幅２．５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ４００μｍの４２アロイ（４２Ｎｉ−Ｆｅ）からなる帯状の金属板を間に挟み、８２０℃の窒素雰囲気中で加熱して外部電極と帯状の金属板、および帯状の金属板と金属端子とをそれぞれ導電固着して、本発明の実施例のセラミックコンデンサ１０を得た。

上記で得られた本発明の実施例のセラミックコンデンサ１０について、ＦＲ−４（ガラス・エポキシ）からなる回路基板にフロー半田により実装した後、たわみ試験を行なった後、セラミックコンデンサのセラミック素体を目視外観検査して、セラミック素体のひび割れの発生の有無を調べた。上記試験の結果、本発明の実施例のセラミックコンデンサにおいては、１００個中でひび割れが発生したものは見出されたかった。

電子機器の電源回路等において、大電流化に対応可能なセラミックコンデンサとして好適である。

１０，２０，３０，４０：セラミックコンデンサ１１，４１：コンデンサ素子１２，４２：セラミック素体１３：セラミック誘電体層１４：内部電極１４ａ：内部電極本体１４ｂ：引き出し部１５，４５：外部電極１６，３６，４６：帯状の金属板１７，２７，３７，４７：金属端子１８，１８ａ，１８ｂ：ロウ材

Claims

セラミック誘電体層と、該セラミック誘電体層を挟んで互いに対向する内部電極本体及び該内部電極本体から交互に導出される引き出し部を備える内部電極と、を有し、幅寸法および長さ寸法に比べて厚さ寸法が小さい平板形状のセラミック素体と、該セラミック素体の互いに対向する一対の端面にそれぞれ形成され前記内部電極の引き出し部に導電接続された帯状の一対の外部電極と、を備えるコンデンサ素子と、該コンデンサ素子の外部電極にそれぞれロウ材を介して導電固着された複数の帯状の金属板と、前記複数の金属板の長手方向の複数箇所に互いに離間してそれぞれロウ材を介して導電固着されかつそれぞれ先端部の近傍で相互に連結された少なくとも一対の金属端子と、を備えることを特徴とするセラミックコンデンサ。
前記帯状の金属板は４２アロイ、インバー、コバールのうちのいずれか１種からなり、前記帯状の金属板に導電固着される金属端子は銅からなることを特徴とする請求項１記載のセラミックコンデンサ。
前記帯状の金属板の線膨張係数はセラミック誘電体層の線膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１記載のセラミックコンデンサ。
厚さ方向に複数のコンデンサ素子を備え、前記各コンデンサ素子は、それぞれ独立した帯状の金属板を介して前記金属端子に導電接続されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックコンデンサ。