JP6024830B2 - 積層セラミック電子部品 - Google Patents

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Description

本発明は、積層セラミック電子部品に関し、詳しくは、セラミック層を介して内部電極が積層された構造を有するセラミック素体と、その端面から側面に回り込むような態様で配設された外部電極とを備えた積層セラミック電子部品に関する。
代表的なセラミック電子部品の一つに、例えば、図3に示すような構造を有する積層セラミックコンデンサがある。
この積層セラミックコンデンサは、図3に示すように、誘電体層であるセラミック層51を介して複数の内部電極52(52a,52b)が積層されたセラミック積層体(セラミック素体)60の両端面53a,53bに、内部電極52(52a,52b)と導通するように外部電極54(54a,54b)が配設された構造を有している。
ところで、このような積層セラミックコンデンサを製造する場合、外部電極54(54a,54b)は、セラミック積層体(セラミック素体)の両端面に導電性ペーストを塗布して焼成する方法により形成されるのが一般的である。
このような外部電極の形成に用いられる導電性ペーストとして、例えば、少なくとも金属粉末、BaO−SrO−ZnO−B23−SiO2系ガラスフリットを含んでなる導電性ペーストであって、ガラスフリットが酸化物換算で、BaO:10〜50重量%、SrO:5〜40重量%、ZnO:10〜30重量%、B23:15〜30重量%、SiO2:3〜20重量%を含有するとともに、金属粉末100重量%に対して、ガラスフリットを0.5〜10重量%含有する導電性ペーストが提案されている(特許文献1参照)。
そして、この導電性ペーストを用いて外部電極を形成することにより、焼成時にガラスフリットがセラミック積層体を構成するセラミック中に浸透しにくくなるとされている。これは、特許文献1の導電性ペーストに用いられているガラスフリットの、BaO、SrOの含有量が多く、セラミック素体と反応しにくいことによるものと考えられる。
また、他の導電性ペーストとして、銅粉末、ニッケル粉末、銅−ニッケル合金粉末およびそれらの混合物から選択される少なくとも1つの導電性粉末と、無鉛、無ビスマスおよび無カドミウムであり、530〜650℃の軟化点、9.0〜11.5ppm/℃の熱膨張係数を有するガラスフリットとを含み、導電性粉末およびガラスフリットが有機媒質中に分散された導電性ペーストが提案されている(特許文献2参照)。
そして、この特許文献2の導電性ペーストによれば、緻密性が高く、セラミック素体との密着性に優れた外部電極を形成することができるとされている。
しかしながら、上記特許文献1の導電性ペーストは、用いられているガラスフリット中のSiO2量が少ないため、特許文献1の導電性ペーストを用いて形成した外部電極に含まれるガラスがめっき液に溶解しやすく、外部電極にめっきを施す工程で、めっき液が外部電極やセラミック素体に浸入し、積層セラミック電子部品の機械強度を低下させるという問題点がある。
また、上記特許文献2の導電性ペーストについても、特許文献1の導電性ペーストについて述べた上記問題点と同様の問題点がある。
特開2003−77336号公報 特開2004−228075号公報
本発明は、上記課題を解決するものであり、外部電極にめっきが施される場合にも、めっき液が外部電極やセラミック素体に浸入することによる機械強度の低下を防止することが可能で、信頼性の高い積層セラミック電子部品を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の積層セラミック電子部品は、
複数の内部電極がセラミック層を介して積層された構造を有するセラミック素体と、前記内部電極と導通する外部電極であって、前記セラミック素体の端面から側面に回り込むように前記セラミック素体の端部に形成された外部電極とを備えた積層セラミック電子部品において、
前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端領域と、前記セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に、
SiO2を26mol%以上45mol%未満含有し、かつ、
下記の式(1):
モル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2) ……(1)
で表されるモル比の値が0.154以上0.161以下である無機物質が存在していること
を特徴としている。
また、本発明の他の積層セラミック電子部品は、
複数の内部電極がセラミック層を介して積層された構造を有するセラミック素体と、前記内部電極と導通する外部電極であって、前記セラミック素体の端面から側面に回り込むように前記セラミック素体の端部に形成された外部電極とを備えた積層セラミック電子部品において、
前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端領域と、前記セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に、
SiO2を45mol%以上含有し、かつ、
下記の式(1):
モル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2) ……(1)
で表されるモル比の値が0.022以上0.033以下である無機物質が存在していること
を特徴としている。
また、本発明の積層セラミック電子部品においては、前記界面に存在する前記無機物質が、B23をSiO2とのモル比が下記の式(2):
0.25≦B23/SiO2≦0.5 ……(2)
で表される範囲となるように含有していること
が好ましい。
外部電極の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に存在する無機物質中のB23とSiO2のモル比を上述のように規定することにより、上記界面(以下、単に「外部電極先端領域とセラミック素体の界面」ともいう)に存在するガラスが結晶化したり、耐酸性が低下したりすることを抑制、防止して、より確実に、機械強度の低下を防止することが可能になり、本発明をさらに実効あらしめることができる。
また、本発明の積層セラミック電子部品においては、前記先端領域が、前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の領域であることが好ましい。
前記先端領域を、上述の外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の領域とすることにより、確実に本発明の効果を奏させることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
また、前記外部電極が、表面にめっき膜層を備えたものであることが好ましい。
外部電極の表面にめっき膜層が設けられた積層セラミック電子部品は、めっき工程を経て作製されることになるが、本発明の積層セラミック電子部品は、上述のような構成を備えており、セラミック素体の側面に回り込んだ外部電極の回り込み部の先端領域(すなわち、応力がかかって、クラックなどの起点となりやすい領域)と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に、上述のような無機物質が存在していることから、界面に存在するセラミックとガラスの反応層やセラミック素体の表面のセラミックの、めっき工程におけるめっき液への溶出や、めっき液の外部電極やセラミック素体への浸入を抑制して、機械的強度が高く、信頼性の高い積層セラミック電子部品を提供することが可能になる。
上述のように、本発明の積層セラミック電子部品においては、上述のように、「外部電極先端領域とセラミック素体の界面」に、SiO2を26mol%以上45mol%未満含有するとともに、上述の式(1)により求められるモル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値が0.154以上0.161以下である無機物質が存在しているので、「外部電極先端領域とセラミック素体の界面」に存在するセラミックとガラスの反応層や、セラミック素体の表面のセラミックの溶出を、より確実に抑制して、耐めっき性を向上させることが可能になる。
したがって、本発明によれば、外部電極にめっきが施される場合にも、めっき液が外部電極やセラミック素体に浸入することによる機械強度の低下を抑制、防止して、信頼性の高い積層セラミック電子部品を提供することが可能になる。
また、本発明の他の積層セラミック電子部品のように、「外部電極先端領域とセラミック素体の界面」に、SiO2を45mol%以上含有するとともに、上述の式(1)により求められるモル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値が0.022以上0.033以下である無機物質を存在させるようにした場合にも、「外部電極先端領域とセラミック素体の界面」に存在するセラミックとガラスの反応層や、セラミック素体の表面のセラミックの溶出を、より確実に抑制して、耐めっき性を向上させることが可能になり、機械強度に優れた、信頼性の高い積層セラミック電子部品を提供することが可能になる。
本発明の実施形態にかかる積層セラミックコンデンサの構成を示す正面断面図である。 図1に示した積層セラミックコンデンサの要部を拡大して示す図である。 従来の積層セラミック電子部品の一例を示す図である。
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
[実施形態]
この実施形態では、図1に示すような構造を有する積層セラミックコンデンサを製造する場合を例にとって説明する。
この積層セラミックコンデンサは、図1に示すように、誘電体層であるセラミック層1を介して複数の内部電極2(2a,2b)が積層されたセラミック素体(積層セラミックコンデンサ素子)10の両側の端面3(3a,3b)に、内部電極2(2a,2b)と導通するように外部電極4(4a,4b)が配設された構造を有している。
なお、外部電極4(4a,4b)は、セラミック素体10の両側の端面3(3a,3b)から、稜線部を越えてセラミック素体の4つの側面15にまで回り込むように配設されている。
外部電極4(4a,4b)は、導電性ペーストを焼き付けてなる外部電極本体11と、外部電極本体11の表面に形成されたNiめっき膜層12と、Niめっき膜層12の表面に形成されたSnめっき膜層13とを備えてなる多層構造とされている。
この積層セラミックコンデンサのセラミック素体10を構成するセラミック層1は、ペロブスカイト構造を有する誘電体セラミック(この実施形態ではBaTiO3系セラミック)から形成されている。内部電極2(2a,2b)はNiを導電成分とする卑金属電極である。
次に、この積層セラミック電子部品(積層セラミックコンデンサ)の製造方法について説明する。
[1]セラミック素体の作製
(1)Ba、Tiを主成分とするペロブスカイト型化合物(BaTiO3系セラミック粉末)に対して、有機バインダー、有機溶剤、可塑剤、および分散剤を所定の割合で混合したセラミックスラリーを調製した。
それからこのセラミックスラリーを樹脂フィルム上に、乾燥後の厚みが4.0μmとなるように塗布して、セラミックグリーンシートを作製した。
(2)平均粒径0.3μmのNi粉末50重量部と、ブチルカルビトールにエチルセルロース10重量部を溶解した樹脂溶液45重量部と、残部の分散剤および増粘剤とを配合することにより、内部電極形成用の導電性ペースト(内部電極ペースト)を作製した。
なお、内部電極ペーストを構成する導電成分としては、Ni粉末以外にも、Ni合金、Cu、Cu合金などの卑金属粉末を適宜用いることが可能である。場合によっては、Agなどの貴金属粉末を用いることも可能である。
(3)上記(1)の工程で作製したセラミックグリーンシートを、焼成後に、所定の厚みを有する外層部が形成されるように所定枚数積層して、下側外層部を形成した。
(4)上記(1)の工程で使用したセラミックグリーンシートに、上記(2)の工程で作製したNiを導電成分とする導電性ペースト(内部電極ペースト)を、焼成後のセラミック素子の大きさ(3.2mm(長さ)×1.6mm(幅))に対応するようなパターンで、乾燥後の厚みが2μmとなるようにスクリーン印刷により塗布した電極パターン形成セラミックグリーンシートを、上記(3)の工程で形成した下側外層部上に所定枚数(この実施形態では350枚)積層した。
(5)上記(4)の工程で積層した電極パターン形成セラミックグリーンシート上に、焼成後に所定の厚みを有する外層部が形成されるように所定枚数積層して、上側外層部を形成することにより未焼成積層ブロックを形成した。
(6)上記(5)の工程で作製した未焼成積層ブロックを所定の位置でカットすることにより、未焼成セラミック素体を得た。
(7)上記(6)の工程で得た未焼成セラミック素体を、バッチ炉を使用して、窒素雰囲気中、400℃、10時間の条件で脱脂処理した後、窒素−水素−水蒸気混合雰囲気中、トップ温度1200℃、酸素分圧10-9〜10-10MPaの条件で焼成し、外部電極形成前の焼成済みのセラミック素体を得た。
なお、このセラミック素体は、長さ(L):3.2mm、幅(W):1.6mm、厚さ(T):1.6mmの寸法を有する直方体形状のものである。
[2]外部電極の形成
(1)外部電極を形成するために用いる導電性ペーストとして、
(a)Cu粉末70重量部と、
(b)SiO2、TiO2およびZrO2含有量が、表1に示す割合になるように調整したホウケイ酸亜鉛系ガラスフリット10重量部と、
(c)ブチルカルビトールにエチルセルロース20重量部を溶かした樹脂溶液20重量部と
を分散・混合することにより、外部電極形成用の導電性ペーストを作製した。
(2)上述のようにして作製した導電性ペーストを、セラミック素体に浸漬塗布の方法で塗布した。例えば、定盤に所定の厚さで外部電極形成用の導電性ペーストを塗布し、その上から保持冶具により保持したセラミック素体の一方の端面側を浸漬し、セラミック素体の端面および端面から側面に回り込む領域に外部電極ペーストを塗布した。なお、外部電極ペーストの塗布厚みは、乾燥後における、セラミック素体の端面への導電性ペーストの塗布厚みが50μmになるように調整した。
そして、塗布した導電性ペーストを乾燥させた後、同様にして、セラミック素体の他方の端面側を浸漬し、セラミック素体の他方側の端面と、端面から側面に回り込む領域に導電性ペーストを塗布した。
(3)セラミック素体に塗布した外部電極形成用の導電性ペーストを焼成するため、セラミック素体を熱処理した。
熱処理は、トップ温度(880℃)で、酸素起電力が280mVの条件で行い、セラミック素体の両端部に、Cu焼き付け電極(外部電極本体)を形成した。
なお、熱処理工程では、外部電極の酸化を抑制するため、キャリアガスをN2とし、TOP温度ではキャリアガス(N2)中にH2を添加して起電力=600−900mVとなるように雰囲気を調整して焼成を行った。
(4)形成された外部電極本体に対して、湿式電解めっきの方法でNiめっきを行って、外部電極の表面にNiめっき膜を形成し、さらに湿式電解めっきの方法でSnめっきを行って、Niめっき膜上にSnめっき膜を形成した。
これにより、図1および2に示すような構成を備えた積層セラミックコンデンサを得た。
[3]評価
上述のようにして作製した積層セラミックコンデンサについて、回り込み部先端領域の界面に存在する無機物質の組成分析および抗折試験を行い、特性を評価した。
(1)回り込み部先端領域の界面に存在する無機物質の組成分析
上述のようにして作製した積層セラミックコンデンサ(試料)について、図2に示すように、外部電極4の、セラミック素体10の側面15に回り込んだ回り込み部14の先端領域(以下、単に「回り込み部先端領域」ともいう)14aと、セラミック素体10の表面を構成するセラミックとの界面に存在する無機物質20の組成を、以下に説明する方法で調べた。
なお、この実施形態では、図2に模式的に示すように、外部電極4のセラミック素体10の側面15への回り込み部14の先端から10μm以内の領域を、「回り込み部先端領域」14aとした。
この実施形態では、積層セラミックコンデンサ(試料)の、長さLと、幅Wとにより規定される面であるLW面の中央部の、外部電極の回り込み部先端領域と、セラミック素体の界面部を、FIB(Focused Ion Beam)を用いて加工処理した後、TEM−EDS(透過型電子顕微鏡(TEM)を利用したエネルギー分散型X線分光分析(EDS))の方法で無機成分、すなわち、B23、SiO2、TiO2、およびZrO2の定量を行った(n=10)。
具体的には、図1に示される積層セラミックコンデンサ(試料)を、長さLと、幅Wとにより規定される面であるLW面から、厚さT方向の寸法が1/2になるまで研磨して露出させた露出面の、「外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の領域と、セラミック素体との界面」に存在する物質について、試料あたり任意の10箇所で、B23、SiO2、TiO2、およびZrO2の定量を行った。なお、表1のB23、SiO2、TiO2、およびZrO2の値は平均値を示している。
(2)機械強度の測定(抗折試験)
上述のようにして作製した積層セラミックコンデンサ(試料)について、3点曲げにて抗折試験を行った。試料数は20個とした(n=20)。
抗折試験の条件は以下の通りである。
(a)押し冶具の降下スピード :0.1[mm/sec]
(b)押し冶具先端の半径(R) :0.2[mm]
(c)試料の押し位置 :セラミック素体の中央
(d)試料数 :n=20
上述のように、試料(積層セラミックコンデンサ)の中央部に、先端の半径が0.2mmの押し冶具により、0.1(mm/sec)の速さで荷重を加え、試料が破断したときの荷重を抗折強度として測定した。
表1に、界面部(外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面部)における、B23、SiO2、TiO2、およびZrO2の定量結果、B23/SiO2の値(モル比)、界面部における、(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値(モル比)、抗折試験により調べた抗折強度を示す。
なお、表1において,試料番号に*を付した試料番号1〜5、8の試料は本発明の要件を満たさない試料であり、他の試料(試料番号6、7、9〜22の試料)は本発明の要件を満たす試料である。
Figure 0006024830
表1に示すように、外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面部に、SiO2が26mol%以上45mol%未満の範囲で存在し、かつ、(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2) の値が0.154以上である無機物質が存在している、試料番号6、7、9、10および試料番号15〜18の試料の場合、抗折強度が大きい積層セラミックコンデンサが得られることが確認された。
これは、SiO2が26mol%以上45mol%未満の割合で存在している場合、耐酸性を向上させると想定されるTiO2、ZrO2の比率を0.154以上とすることにより、外部電極の回り込み部先端領域における、Niめっきに対する耐溶出性が向上し、抗折強度が向上したものと考えられる。
また。表1に示すように、外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面部に、SiO2が45mol%以上存在し、かつ、(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値が0.022以上である無機物質が存在している、試料番号11〜14および試料番号19〜22の試料の場合、抗折強度が大きい積層セラミックコンデンサが得られることが確認された。
これは、SiO2が45mol%以上の場合、耐酸性に優れたSiO2の比率が高いため、界面部の耐酸性が向上し、(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値(モル比)が0.022以上であれば、十分な抗折強度を得ることが可能になったものと考えられる。
また、例えば、試料番号14〜22の試料のように、界面のB23とSiO2の比率により、積層セラミックコンデンサ(試料)の機械強度(抗折強度)が変化しているが、これは、外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面部に存在するガラスが結晶化したり、耐酸性が低下したりすることによるものと考えられる。
すなわち、B23/SiO2の比が0.2の、試料番号15の試料の場合、界面部に存在するガラスが結晶化し、界面部におけるガラス部分では組成ずれが発生して、ガラスがめっき液に溶解しやすくなり、結果として、機械強度の低下が発生したものと考えられる。
また、B23/SiO2の比が0.6の、試料番号18,22の試料の場合も機械強度が低下しているが,これは、界面部のガラス組成が、耐めっき液性の低いガラス組成であるため、界面部のガラスがめっき液に溶解し、機械強度が低下したものと考えられる。
上記結果から、B23/SiO2の比率は、0.25≦B23/SiO2≦0.5であることがより望ましいことが分かる。
一方、試料番号1〜5の試料の場合、外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の先端領域と、セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面部のSiO2量は25〜45mol%の範囲にあるが、試料番号1〜5の試料の場合、(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2)の値(モル比)が0.000〜0.138と、本発明の要件を満たしておらず、抗折強度が22〜38Nと低いことが確認された。
なお、上記実施形態では、積層セラミックコンデンサを例にとって説明したが、本発明は、積層セラミックコンデンサに限らず、例えば、積層型LC複合部品、積層バリスタなどの、セラミック素体の内部に電極(内部電極)を備え,かつ、セラミック素体の端面から側面に回り込むような態様で外部電極を備えた種々の積層セラミック電子部品に適用することが可能である。
本発明はさらにその他の点においても上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
1 セラミック層
2(2a,2b) 内部電極
3(3a,3b) セラミック素体の端面
4(4a,4b) 外部電極
10 セラミック素体
11 外部電極本体
12 Niめっき膜層
13 Snめっき膜層
14 回り込み部
14a 回り込み部の先端領域
15 セラミック素体の側面
20 境界部の無機物質

Claims (5)

  1. 複数の内部電極がセラミック層を介して積層された構造を有するセラミック素体と、前記内部電極と導通する外部電極であって、前記セラミック素体の端面から側面に回り込むように前記セラミック素体の端部に形成された外部電極とを備えた積層セラミック電子部品において、
    前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端領域と、前記セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に、
    SiO2を26mol%以上45mol%未満含有し、かつ、
    下記の式(1):
    モル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2) ……(1)
    で表されるモル比の値が0.154以上0.161以下である無機物質が存在していること
    を特徴とする積層セラミック電子部品。
  2. 複数の内部電極がセラミック層を介して積層された構造を有するセラミック素体と、前記内部電極と導通する外部電極であって、前記セラミック素体の端面から側面に回り込むように前記セラミック素体の端部に形成された外部電極とを備えた積層セラミック電子部品において、
    前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端領域と、前記セラミック素体の表面を構成するセラミックとの界面に、
    SiO2を45mol%以上含有し、かつ、
    下記の式(1):
    モル比=(TiO2+ZrO2)/(SiO2+TiO2+ZrO2) ……(1)で表されるモル比の値が0.022以上0.033以下である無機物質が存在していること
    を特徴とする積層セラミック電子部品。
  3. 前記界面に存在する前記無機物質が、B23をSiO2とのモル比が下記の式(2):
    0.25≦B23/SiO2≦0.5 ……(2)
    で表されるような範囲となるように含有していること
    を特徴とする請求項1または2記載の積層セラミック電子部品。
  4. 前記先端領域が、前記セラミック素体の側面に回り込んだ前記外部電極の回り込み部の先端から10μm以内の領域であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の積層セラミック電子部品。
  5. 前記外部電極が、表面にめっき膜層を備えたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の積層セラミック電子部品。
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