JP6034111B2 - Capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子により構成される誘電体磁器を誘電体層として用いるコンデンサに関する。 The present invention relates to a capacitor using a dielectric ceramic composed of crystal particles mainly composed of barium titanate as a dielectric layer.
近年、高輝度の青色の発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)が開発されたことにより高視認性を達成可能なフルカラーのLED表示装置とともに、LEDを発光源とする照明機器の開発が急速に進みつつある。 In recent years, with the development of high-luminance blue light-emitting diodes (LEDs), the development of lighting equipment that uses LEDs as light sources has rapidly progressed along with full-color LED display devices that can achieve high visibility. It's getting on.
このようなLEDを用いた電子機器では、AC−DCコンバータを用いて商用電源からLEDを駆動するための直流電圧を生成させる方式が採用されているが、AC−DCコンバータは、商用電源(100V)の交流電圧から所望の直流の出力電圧を生成してLEDを駆動する回路であり、このような回路に用いられる整流回路には制御回路素子としての電界効果型トランジスタ(MOSFET)とともにコンデンサが搭載されている(例えば、特許文献1を参照)。 In such an electronic device using an LED, a method of generating a DC voltage for driving the LED from a commercial power source using an AC-DC converter is adopted. However, the AC-DC converter uses a commercial power source (100V). ) Is a circuit that drives a LED by generating a desired DC output voltage from the AC voltage, and a rectifier circuit used in such a circuit is equipped with a capacitor together with a field effect transistor (MOSFET) as a control circuit element (For example, refer to Patent Document 1).
ところが、このようなLEDを用いた電子機器では、印加される電圧が高いことに加え、発光時の発熱による温度変化が大きいことから、コンデンサとして、電圧が印加された際にも高い静電容量(以下、比誘電率として表す。)を維持できるものが求められている。 However, in an electronic device using such an LED, since the applied voltage is high and the temperature change due to heat generation during light emission is large, the capacitance is high even when a voltage is applied as a capacitor. (Hereinafter, expressed as a relative dielectric constant) that can be maintained is required.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高温において、電圧が印加された際にも高い静電容量を維持できるコンデンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitor capable of maintaining a high capacitance even when a voltage is applied at a high temperature.
本発明のコンデンサは、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子を含み、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウムおよびガドリニウムの群から選ばれる少なくとも1種の希土類元素(RE)を含有する誘電体磁器からなる誘電体層を備えており、前記結晶粒子は、粒界から20nmの深さの位置における、前記希土類元素(RE)の濃度が0〜0.5原子%である第1結晶群の結晶粒子と、該第1結晶群の結晶粒子よりも前記希土類元素(RE)の濃度が高く、該濃度が0.3〜0.9原子%である第2結晶群の結晶粒子とを有し、前記第1結晶群の結晶粒子と前記第2結晶群の結晶粒子との前記希土類元素(RE)の濃度の差が0.1原子%以上0.7原子%以下であり、前記第2結晶群の結晶粒子は前記第1結晶群の結晶粒子よりも平均粒径が大きいことを特徴とする。以下、「第1結晶群」および「第2結晶群」を、それぞれ「第1の結晶群」および「第2の結晶群」と表記する場合がある。
The capacitor of the present invention comprises a dielectric ceramic containing crystal particles mainly composed of barium titanate and containing at least one rare earth element (RE) selected from the group of terbium, dysprosium, holmium, erbium and gadolinium. It comprises a dielectric layer, wherein the crystal grains, at the position of depth 20nm from the grain boundary, and crystal particle concentration of the first crystal group which is 0 to 0.5 atomic% of the rare earth element (RE) a high concentration of the rare earth element (RE) than the crystal grains of the first crystal group, and a crystal grain of the second crystal group concentration is a 0.3-0.9 atomic%, the second 1 Ri said difference is 0.1 atomic% to 0.7 atomic% der following concentrations of the rare earth element (RE) of the crystal group of crystal grains and the second crystal group of crystal grains, of the second crystal group Crystal grains are of the first crystal group. The average particle diameter is larger than that of crystal grains . Hereinafter, the “first crystal group” and the “second crystal group” may be referred to as “first crystal group” and “second crystal group”, respectively.
本発明によれば、高温において、電圧が印加された際にも高い静電容量を維持できるコンデンサを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a capacitor capable of maintaining a high capacitance even when a voltage is applied at a high temperature.
本実施形態のコンデンサについて、図1の概略断面図をもとに詳細に説明する。図1(a)は、本発明のコンデンサの一例を示す概略断面図であり、(b)は、図1のコンデンサを構成する誘電体層の拡大図であり、結晶粒子および粒界相を示す模式図である。図2(a)は、第1の結晶群を構成する結晶粒子とその内部の希土類元素(RE)の濃度勾配を表す模式図であり、(b)は、第2の結晶群を構成する結晶粒子とその内部の希土類元素(RE)の濃度勾配を表す模式図である。 The capacitor of this embodiment will be described in detail based on the schematic cross-sectional view of FIG. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of the capacitor of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a dielectric layer constituting the capacitor of FIG. 1, showing crystal grains and grain boundary phases. It is a schematic diagram. FIG. 2A is a schematic diagram showing the concentration gradient of the crystal grains constituting the first crystal group and the rare earth element (RE) therein, and FIG. 2B is the crystal constituting the second crystal group. It is a schematic diagram showing the density | concentration gradient of particle | grains and the rare earth element (RE) inside it.
本実施形態のコンデンサは、コンデンサ本体1の両端部に外部電極3が形成されている。外部電極3は、例えば、CuもしくはCuとNiの合金ペーストを焼き付けて形成されている。 In the capacitor of this embodiment, external electrodes 3 are formed at both ends of the capacitor body 1. The external electrode 3 is formed, for example, by baking Cu or an alloy paste of Cu and Ni.
コンデンサ本体1は、誘電体磁器からなる誘電体層5と内部電極層7とが交互に積層され構成されている。図1では誘電体層5と内部電極層7との積層状態を単純化して示しているが、本発明のコンデンサは誘電体層5と内部電極層7とが数百層にも及ぶ積層体となっている。 The capacitor body 1 is configured by alternately laminating dielectric layers 5 made of dielectric ceramics and internal electrode layers 7. In FIG. 1, the laminated state of the dielectric layer 5 and the internal electrode layer 7 is shown in a simplified manner. However, the capacitor of the present invention includes a laminated body having several hundreds of dielectric layers 5 and internal electrode layers 7. It has become.
誘電体磁器からなる誘電体層5は、結晶粒子9と粒界相11とから構成されており、その平均厚みは5μm以下、特に、3μm以下が望ましく、これにより積層セラミックコンデンサを小型、高容量化することが可能となる。なお、静電容量のばらつきの低減および容量温度特性の安定化並びに高温負荷寿命の向上という点で、誘電体層5の平均厚みは1μm以上であることが望ましい。 The dielectric layer 5 made of a dielectric ceramic is composed of crystal grains 9 and a grain boundary phase 11, and the average thickness is preferably 5 μm or less, particularly 3 μm or less. Can be realized. The average thickness of the dielectric layer 5 is preferably 1 μm or more from the viewpoint of reducing variation in capacitance, stabilizing capacitance-temperature characteristics, and improving high-temperature load life.
内部電極層7は、高積層化しても製造コストを抑制できるという点で、ニッケル(Ni)や銅(Cu)などの卑金属が望ましく、特に、本実施形態のコンデンサを構成する誘電体層5との同時焼成が図れるという点でニッケル(Ni)がより望ましい。 The internal electrode layer 7 is preferably a base metal such as nickel (Ni) or copper (Cu) in that the manufacturing cost can be suppressed even when the number of layers is increased, and in particular, the dielectric layer 5 constituting the capacitor of the present embodiment Of these, nickel (Ni) is more desirable in that it can be fired simultaneously.
本実施形態のコンデンサにおける誘電体層5を構成する誘電体磁器は、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子9を含み、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウムおよびガドリニウムの群から選ばれる少なくとも1種の希土類元素(RE)を含有する。ここで、チタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子9とは、これを主結晶粒子とするものであり、X線回折によって得られたX線回折パターン上において、チタン酸バリウムに由来する主ピークの回折強度がチタン酸バリウム以外の結晶相の主ピークの回折強度よりも大きいものをいう。 The dielectric ceramic constituting the dielectric layer 5 in the capacitor of this embodiment includes crystal particles 9 mainly composed of barium titanate, and at least one selected from the group of terbium, dysprosium, holmium, erbium, and gadolinium. Contains rare earth elements (RE). Here, the crystal particle 9 containing barium titanate as a main component is the main crystal particle, and the main peak derived from barium titanate on the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction. Is higher than the diffraction intensity of the main peak of the crystal phase other than barium titanate.
また、この結晶粒子9は、粒界から20nmの深さの位置における、希土類元素(RE)の濃度が0.1原子%以上0.7原子%以下の差を有する少なくとも2種類の結晶粒子により構成されているものとなっている。
The crystal grains 9 are composed of at least two kinds of crystal grains having a difference in the rare earth element (RE) concentration of 0.1 atomic% or more and 0.7 atomic% or less at a depth of 20 nm from the grain boundary. It has been configured.
これによりコンデンサが高温に晒されかつ直流電圧が印加される状態となっても静電容量の低下の小さいコンデンサを得ることができる。例えば、室温(25℃)において直流電圧を印加しない条件で測定された静電容量を基準にしたときに、125℃において、約25Vの直流電圧が印加されたときの静電容量の変化率(以下、高温DCバイアス特性という。)を73%以内にできる。なお、以下では、特性について説明する場合に、静電容量の代わりに比誘電率を用いる場合がある。 Thereby, even if the capacitor is exposed to a high temperature and a DC voltage is applied, a capacitor with a small decrease in capacitance can be obtained. For example, when the capacitance measured under the condition that a DC voltage is not applied at room temperature (25 ° C.) is used as a reference, the rate of change in capacitance when a DC voltage of about 25 V is applied at 125 ° C. ( Hereinafter, it is referred to as a high temperature DC bias characteristic) within 73%. In the following description, when describing the characteristics, the relative permittivity may be used instead of the capacitance.
本実施形態における誘電体磁器は、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビ
ウムおよびガドリニウムの群から選ばれる少なくとも1種の希土類元素(RE)を結晶粒子9a、9bの内部にそれぞれ異なる量だけ含んだ少なくとも2種類の結晶粒子(ここでは符号を9a、9bとする)により構成されているものであるが、第1の結晶群の結晶粒子9aは、結晶粒子9中に含まれる希土類元素(RE)の濃度が低いことから、結晶粒子9aの中心部には希土類元素(RE)がほとんど固溶していないため、その中心部は添加成分の少ない正方晶系の結晶相が支配的である。このため比誘電率の高い誘電体磁器を得ることができる。
The dielectric ceramic in the present embodiment includes at least two kinds of at least one rare earth element (RE) selected from the group of terbium, dysprosium, holmium, erbium, and gadolinium in different amounts in the crystal grains 9a and 9b. The crystal particles 9a of the first crystal group have a rare earth element (RE) concentration contained in the crystal particles 9 of the first crystal group 9a and 9b. Since it is low, rare earth elements (RE) are scarcely dissolved in the central portion of the crystal grain 9a, and therefore, a tetragonal crystal phase with few additive components is dominant in the central portion. Therefore, a dielectric ceramic having a high relative dielectric constant can be obtained.
一方、第2の結晶群の結晶粒子9bは、結晶粒子9中に含まれる希土類元素(RE)の濃度が高いことから、結晶粒子9bの内部の深いところまで希土類元素(RE)が固溶した状態となっており、このため結晶粒子9bは結晶粒子9aに比較して、酸素空孔などの欠陥が減少し、高い比誘電率を維持したまま、比誘電率の電圧依存性を小さくすることが可能となる。 On the other hand, since the concentration of the rare earth element (RE) contained in the crystal particles 9 is high in the crystal particles 9b of the second crystal group, the rare earth elements (RE) are dissolved in the deep portion inside the crystal particles 9b. Therefore, the crystal particle 9b has fewer defects such as oxygen vacancies than the crystal particle 9a, and the voltage dependency of the relative permittivity is reduced while maintaining a high relative permittivity. Is possible.
結晶粒子9aは、これだけでは直流電圧を印加したときの比誘電率の変化率を小さくすることは困難であるが、結晶粒子9aに結晶粒子9bを共存させると、元々、結晶粒子9bが比誘電率の電圧依存性を小さくできる性質を有していることに起因して、直流電圧を印加したときの比誘電率の変化率を小さくすることができる。 It is difficult to reduce the rate of change of the dielectric constant when a DC voltage is applied to the crystal particles 9a alone. However, if the crystal particles 9b coexist with the crystal particles 9a, the crystal particles 9b originally have a relative dielectric constant. Due to the fact that the voltage dependency of the rate can be reduced, the rate of change of the relative dielectric constant when a DC voltage is applied can be reduced.
これに対し、誘電体磁器を構成する結晶粒子9中に含まれる希土類元素(RE)の濃度に差が無く、粒界から20nmの深さの位置における、希土類元素(RE)の濃度について、0.1原子%以上の差を見出せないような結晶粒子群により構成されている場合には、室温(25℃)において直流電圧を印加しない条件で測定された静電容量を基準としたときに、125℃において、約25Vの直流電圧が印加されたときの静電容量の変化率が73%よりも大きくなってしまう。 On the other hand, there is no difference in the concentration of the rare earth element (RE) contained in the crystal grains 9 constituting the dielectric ceramic, and the concentration of the rare earth element (RE) at a depth of 20 nm from the grain boundary is 0. When it is composed of a group of crystal grains that cannot find a difference of 1 atomic% or more, when the capacitance measured under the condition that a DC voltage is not applied at room temperature (25 ° C.) is used as a reference, At 125 ° C., the rate of change in capacitance when a DC voltage of about 25 V is applied is greater than 73%.
なお、この誘電体磁器は、含ませる希土類元素(RE)として、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウムおよびガドリニウムを選択しているが、これらの希土類元素(RE)は、周期表にある希土類元素(RE)の中でもチタン酸バリウムを主成分とする結晶粒子9に固溶しやすいからである。そして、これらの希土類元素(RE)を結晶粒子9中に固溶させて、希土類元素(RE)の濃度の異なる2種類の結晶粒子9a、9bを誘電体磁器中に形成することにより、誘電体磁器の耐電圧特性を変化させることができる。 In this dielectric ceramic, terbium, dysprosium, holmium, erbium and gadolinium are selected as the rare earth elements (RE) to be included, but these rare earth elements (RE) are rare earth elements (RE) in the periodic table. This is because it is easy to dissolve in the crystal particles 9 mainly composed of barium titanate. Then, by dissolving these rare earth elements (RE) in the crystal particles 9 to form two kinds of crystal particles 9a and 9b having different concentrations of the rare earth elements (RE) in the dielectric ceramic, The withstand voltage characteristics of the porcelain can be changed.
次に、この誘電体磁器に、バナジウム、マグネシウム、マンガンおよびイットリウムを含ませ、これらの各元素の含有量を、チタン酸バリウムを構成するチタン100モルに対して、バナジウムをV2O5換算で0.05〜0.20モル、イットリウムをY2O3換算で0.5〜2.0モル、マグネシウムをMgO換算で1.0〜3.0モル、マンガンをMnO換算で0.22〜0.50モルおよび希土類元素(RE)をRE2O3換算で0.65〜2.80モルとし、また、希土類元素(RE)の濃度の異なる結晶粒子9を、粒界から20nmの深さの範囲における、希土類元素(RE)の濃度が0.02〜0.42原子%である第1結晶群の結晶粒子9aと、希土類元素(RE)の濃度が0.45〜0.70原子%である第2結晶群の結晶粒子9bとを有するものとし、これらの結晶粒子9a、9bのうち、第1の結晶群の結晶粒子9aの平均粒径を0.10〜0.18μm、第2の結晶群の結晶粒子9bの平均粒径を0.2〜0.5μmとし、さらに、第1の結晶群の結晶粒子9aおよび第2の結晶群の結晶粒子9bの構成比率を、誘電体磁器の研磨面の単位面積当たりに見られる、結晶粒子9aの面積をa、結晶粒子9bの面積をbとしたときの割合で、b/(a+b)が0.4〜0.7とする。 Next, vanadium, magnesium, manganese, and yttrium are included in this dielectric ceramic, and the content of each element is determined in terms of V 2 O 5 with respect to 100 moles of titanium constituting barium titanate. 0.05-0.20 mol, yttrium 0.5-2.0 mol in terms of Y 2 O 3 , magnesium 1.0-3.0 mol in terms of MgO, and manganese 0.22-0 in terms of MnO .50 moles and rare earth elements (RE) in the range of 0.65 to 2.80 moles in terms of RE 2 O 3 , and crystal grains 9 having different rare earth element (RE) concentrations are 20 nm deep from the grain boundaries. In the range, the concentration of the rare earth element (RE) is 0.02 to 0.42 atomic%, the first crystal group of crystal particles 9a, and the rare earth element (RE) concentration is 0.45 to 0.70 atomic%. A second crystal Among these crystal particles 9a and 9b, the average particle size of the crystal particles 9a of the first crystal group is 0.10 to 0.18 μm, and the crystal particles of the second crystal group The average particle size of 9b is 0.2 to 0.5 μm, and the constituent ratio of the crystal particles 9a of the first crystal group and the crystal particles 9b of the second crystal group is set to a unit area of the polished surface of the dielectric ceramic. The ratio b / (a + b) is 0.4 to 0.7 when the area of the crystal grain 9a seen at the time is a and the area of the crystal grain 9b is b.
誘電体磁器を上記の構成になるようにしたときには、高温DCバイアス特性に加えて、
比誘電率が高く、比誘電率の温度変化率が小さく、かつ高温負荷寿命の信頼性に優れたコンデンサを得ることができる。例えば、室温(25℃)における比誘電率が2000以上であり、−55〜125℃の温度範囲において室温(25℃)を基準としたときの比誘電率の変化率(以下、比誘電率の温度特性という。)が±13.8%(−55〜125℃の間では125℃における比誘電率の変化率がもっとも大きくなることから、以下、125℃における変化率を示す。)以内を満足するとともに、25℃において、直流電圧を負荷しない状態(無負荷状態)で測定した比誘電率に対して、125℃において直流電圧を印加した状態で測定した比誘電率の変化率を−51.8%以内(NPO(±0%)に近づく方向)にでき、さらには、170℃、170Vの直流電圧を印加の条件で評価される高温負荷寿命を34時間以上にすることができる。以下、高温負荷寿命と記す場合には上記の条件にて評価した高温負荷寿命のことである。
When the dielectric ceramic is configured as described above, in addition to the high-temperature DC bias characteristics,
A capacitor having a high relative dielectric constant, a low relative dielectric constant temperature change rate, and an excellent high temperature load life can be obtained. For example, the relative dielectric constant at room temperature (25 ° C.) is 2000 or more, and the rate of change of the relative dielectric constant when the room temperature (25 ° C.) is the reference in the temperature range of −55 to 125 ° C. The temperature characteristic is within ± 13.8% (the rate of change in the dielectric constant at 125 ° C. is the largest between −55 and 125 ° C., and hence the rate of change at 125 ° C. is shown below). In addition, the change rate of the relative permittivity measured with a DC voltage applied at 125 ° C. is −51 .5 with respect to the relative permittivity measured with no DC voltage applied at 25 ° C. (no load state). It can be within 8% (in a direction approaching NPO (± 0%)), and the high temperature load life evaluated under the condition of applying a DC voltage of 170 ° C. and 170 V can be 34 hours or more. Hereinafter, the term “high temperature load life” refers to the high temperature load life evaluated under the above conditions.
誘電体磁器中に希土類元素(RE)の他に、マグネシウム、マンガンおよびイットリウムをそれぞれ所定量含有させた場合には、結晶粒子9の表面付近にこれらの元素が固溶し、結晶粒子9の一部をコアシェル構造を有する結晶粒子9とすることが可能になることから、比誘電率の向上ととともに、比誘電率の温度変化率の小さい誘電体磁器にすることができる。コアシェル構造は、X線回折パターンにおいて、例えば、200面の回折ピークと002面の回折ピークとの間に立方晶系に起因する回折ピーク(指数は、200、020、002が重なった状態)が現れたものであり、この立方晶系の回折ピークは正方晶系に起因する200面の回折ピークおよび002面の回折ピークと同程度の回折強度を有している。 When a predetermined amount of each of magnesium, manganese and yttrium is contained in the dielectric ceramic in addition to rare earth elements (RE), these elements are dissolved in the vicinity of the surface of the crystal particles 9, and Since it becomes possible to make the crystal grains 9 having a core-shell structure in the portion, it is possible to obtain a dielectric ceramic having a small relative dielectric constant temperature change rate as well as an increase in the relative dielectric constant. In the core-shell structure, in the X-ray diffraction pattern, for example, a diffraction peak (index is an overlap of 200, 020, 002) due to a cubic system between a diffraction peak of 200 planes and a diffraction peak of 002 planes. The cubic diffraction peak has a diffraction intensity comparable to that of the 200-plane diffraction peak and the 002-plane diffraction peak due to the tetragonal system.
一方、結晶粒子9bは、結晶粒子9中に含まれる希土類元素(RE)の濃度が高いことから、結晶粒子9bの内部の深いところまで希土類元素(RE)が固溶した状態となっており、このため結晶粒子9bは結晶粒子9aに比較して、酸素空孔などの欠陥が減少したものとなっており、このため高い比誘電率を維持したまま、比誘電率の電圧依存性を小さくすることが可能となる。また、高温負荷寿命も高めることができる。 On the other hand, since the concentration of the rare earth element (RE) contained in the crystal particle 9 is high, the crystal particle 9b is in a state where the rare earth element (RE) is in a solid solution deep inside the crystal particle 9b. For this reason, the crystal particles 9b have reduced defects such as oxygen vacancies as compared with the crystal particles 9a. For this reason, the voltage dependence of the relative permittivity is reduced while maintaining a high relative permittivity. It becomes possible. Also, the high temperature load life can be increased.
この誘電体磁器はコアシェル構造を有する第1の結晶粒子に起因する回折ピークと添加成分が多く固溶した第2の結晶粒子に起因する回折ピークとが同時に現れるものである。ここで、第1の結晶粒子に起因する回折ピークと第2の結晶粒子に起因する回折ピークとは、添加成分固溶度が異なるため格子定数が異なっている。 In this dielectric ceramic, a diffraction peak attributed to the first crystal particle having a core-shell structure and a diffraction peak attributed to the second crystal particle having a large amount of additive components appear simultaneously. Here, the diffraction peak attributed to the first crystal particle and the diffraction peak attributed to the second crystal particle have different lattice constants due to the different solubility of the additive component.
また、この誘電体磁器を構成する結晶粒子9a、9bは、図2(a)(b)に示すように、それぞれ異なる希土類元素(RE)の濃度勾配を有し、第1の結晶群の結晶粒子9aが0.05〜0.20原子%/nm、第2の結晶群の結晶粒子9bが0.03原子%/nm以下であるのが良い。 Further, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the crystal particles 9a and 9b constituting the dielectric ceramic have different rare earth element (RE) concentration gradients, and crystals of the first crystal group. It is preferable that the particle 9a is 0.05 to 0.20 atomic% / nm and the crystal particle 9b of the second crystal group is 0.03 atomic% / nm or less.
また、本実施形態の誘電体磁器は結晶粒子9bの平均粒径を結晶粒子9aの平均粒径よりも大きくしているために高誘電率化を図ることが可能となる。 In addition, the dielectric ceramic according to the present embodiment can increase the dielectric constant because the average particle diameter of the crystal particles 9b is larger than the average particle diameter of the crystal particles 9a.
その結果、本実施形態のコンデンサは、室温(25℃)における比誘電率が2000以上でありながら、特に、25℃において、直流電圧を負荷しない状態(無負荷状態)で測定した比誘電率に対して、125℃において直流電圧を印加した状態(以下、高温負荷状態)での比誘電率の変化率を−51.8%以内にすることができるとともに、高温負荷寿命の信頼性に優れたものとなるのである。 As a result, the capacitor according to the present embodiment has a relative dielectric constant of 2000 or more at room temperature (25 ° C.), particularly at a relative dielectric constant measured at 25 ° C. with no DC voltage loaded (no load state). On the other hand, the rate of change in relative permittivity when DC voltage is applied at 125 ° C. (hereinafter referred to as a high temperature load state) can be made within −51.8%, and the reliability of the high temperature load life is excellent. It becomes a thing.
この誘電体磁器において、希土類元素(RE)とは別に含有させているイットリウム(Y)は、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウムおよびガドリニウム等の元素に比べてチタン酸バリウムに対して固溶し難い元素である。このためイットリウムを
チタン酸バリウムの結晶粒子9の表面付近に固溶させることができ、こうして誘電体磁器の比誘電率、無負荷状態および高温負荷状態での比誘電率の温度変化率、ならびに高温負荷寿命の信頼性を制御することができる。この場合、イットリウムの濃度勾配は結晶粒子9a、9bともに0.05〜0.20原子%/nmであることが望ましい。
In this dielectric porcelain, yttrium (Y) contained separately from the rare earth element (RE) is an element that is less soluble in barium titanate than elements such as terbium, dysprosium, holmium, erbium, and gadolinium. It is. For this reason, yttrium can be dissolved in the vicinity of the surface of the barium titanate crystal particles 9, and thus the relative permittivity of the dielectric ceramic, the temperature change rate of the relative permittivity in the no-load state and the high-temperature load state, and the high temperature The reliability of the load life can be controlled. In this case, the concentration gradient of yttrium is preferably 0.05 to 0.20 atomic% / nm for both the crystal particles 9a and 9b.
ここで、結晶粒子9中の希土類元素(RE)の濃度および濃度分布については、誘電体磁器の断面を研磨した後、透過型電子顕微鏡に付設のモニターに映し出された画像上で結晶粒子が約30個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択し、元素分析機器を付設した透過型電子顕微鏡を用いて元素分析を行う。このとき選択する結晶粒子9は、その輪郭から画像処理にて各粒子の面積を求め、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、求めた結晶粒子9の直径がおおよそ0.08〜0.60範囲にある結晶粒子9とする。分析を行うときの電子線のスポットサイズは0.5〜2nmとし、分析する箇所は結晶粒子9の粒界から20nm(±1nm)の深さの位置とする。 Here, regarding the concentration and concentration distribution of the rare earth element (RE) in the crystal particles 9, after the cross section of the dielectric ceramic is polished, the crystal particles are approximately on the image displayed on the monitor attached to the transmission electron microscope. Draw 30 circles, select crystal particles in and around the circle, and perform elemental analysis using a transmission electron microscope equipped with elemental analysis equipment. The crystal particles 9 to be selected at this time are obtained by calculating the area of each particle by image processing from the outline, and calculating the diameter when replaced with a circle having the same area. The diameter of the obtained crystal particle 9 is approximately 0.08. The crystal grain 9 is in the range of ˜0.60. The spot size of the electron beam when the analysis is performed is 0.5 to 2 nm, and the location to be analyzed is a position 20 nm (± 1 nm) deep from the grain boundary of the crystal grain 9.
結晶粒子9中の希土類元素(RE)の濃度を求めるときは、結晶粒子9の中心部に電子線を当てて、得られたX線の出力から結晶粒子9に含まれる主要な元素の量を100原子%として求め、この中から希土類元素(RE)の割合を求める。ここで主要な元素としては、例えば、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)および希土類元素(RE)が挙げられる。この後、各結晶粒子9についてそれぞれ希土類元素(RE)の濃度を求めることにより第1の結晶群の結晶粒子9aと第2の結晶群の結晶粒子9bとを決定する。 When the concentration of rare earth element (RE) in the crystal particle 9 is obtained, an electron beam is applied to the center of the crystal particle 9 and the amount of main elements contained in the crystal particle 9 is determined from the output of the obtained X-ray. It is determined as 100 atomic%, and the ratio of rare earth elements (RE) is determined from this. Here, examples of main elements include barium (Ba), titanium (Ti), vanadium (V), magnesium (Mg), manganese (Mn), and rare earth elements (RE). Thereafter, the concentration of the rare earth element (RE) is determined for each crystal particle 9, thereby determining the crystal particles 9a of the first crystal group and the crystal particles 9b of the second crystal group.
次に、希土類元素(RE)の濃度勾配を求めるときは、粒界付近から中央部の中心の位置までの範囲で、その中心へ向けて引いた直線上のほぼ等間隔に位置する点とし、粒界付近と、粒界からおおよそ20nmおよび200nmの深さ(図2(a)(b)にdGと記す)において分析した値から求める。この場合、結晶粒子9の粒界(0〜1nm)における希土類元素(RE)の濃度からそれぞれ深さ19〜21nmおよび195〜205nmにおける希土類元素(RE)の濃度を引いた値(希土類元素の濃度)を、その分析した範囲(例えば、20nm−0nm=20nm、200nm−0nm=200nm)の距離で除して濃度勾配を求める。 Next, when determining the concentration gradient of the rare earth element (RE), the points are located at substantially equal intervals on a straight line drawn toward the center in the range from the vicinity of the grain boundary to the center position of the central part, and near the grain boundary is obtained from the values analyzed in approximately 20nm and 200nm in depth from the grain boundary (referred to as d G in FIG. 2 (a) (b)) . In this case, a value obtained by subtracting the rare earth element (RE) concentration at a depth of 19 to 21 nm and 195 to 205 nm from the concentration of the rare earth element (RE) at the grain boundary (0 to 1 nm) of the crystal grain 9 (concentration of the rare earth element). ) Is divided by the distance of the analyzed range (for example, 20 nm-0 nm = 20 nm, 200 nm-0 nm = 200 nm) to obtain a concentration gradient.
本実施形態のコンデンサは、上述のように、結晶粒子9として、第1の結晶群を構成する結晶粒子9aと第2の結晶群を構成する結晶粒子9bとを有するものであるが、その割合としては、単位面積当たりに見られる、第1の結晶群を構成する結晶粒子9aの面積をa、第2の結晶群を構成する結晶粒子9bの面積をbとしたときに、b/(a+b)が0.4〜0.7であり、また、第1の結晶群を構成する結晶粒子9aおよび第2の結晶群を構成する結晶粒子9bの平均粒径はそれぞれ0.10〜0.18μmおよび0.2〜0.5μmであることが望ましいものである。 As described above, the capacitor of the present embodiment includes the crystal particles 9a constituting the first crystal group and the crystal particles 9b constituting the second crystal group as the crystal particles 9. Where b / (a + b) where a represents the area of the crystal grains 9a constituting the first crystal group and b represents the area of the crystal grains 9b constituting the second crystal group. ) Is 0.4 to 0.7, and the average grain sizes of the crystal grains 9a constituting the first crystal group and the crystal grains 9b constituting the second crystal group are 0.10 to 0.18 μm, respectively. And 0.2 to 0.5 μm is desirable.
ここで、第1の結晶群を構成する結晶粒子9aおよび第2の結晶群を構成する結晶粒子9bのそれぞれの平均粒径は、誘電体磁器の断面を研磨(イオンミリング)した研磨面について、透過電子顕微鏡にて映し出されている画像をコンピュータに取り込んで、その画像上に存在する結晶粒子の輪郭を画像処理し、各粒子の面積を求めて、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、算出した結晶粒子30個の平均値より求める。この場合、先に結晶粒子9中から希土類元素(RE)の濃度勾配を求めた結果に基づいて結晶粒子9aと結晶粒子9bとを区別し、それぞれ平均値を求めて結晶粒子9a、9bの平均粒径を求める。 Here, the average particle diameter of each of the crystal grains 9a constituting the first crystal group and the crystal grains 9b constituting the second crystal group is determined on the polished surface obtained by polishing (ion milling) the cross section of the dielectric ceramic. The diameter when the image displayed by the transmission electron microscope is taken into a computer, the contours of the crystal particles present on the image are processed, the area of each particle is obtained, and replaced with a circle with the same area. Is calculated from the average value of the calculated 30 crystal grains. In this case, the crystal particles 9a and 9b are distinguished from each other based on the result of previously determining the concentration gradient of the rare earth element (RE) from the crystal particles 9, and the average values of the crystal particles 9a and 9b are obtained by respectively determining the average values. Obtain the particle size.
また、誘電体磁器を構成する第1の結晶群を構成する結晶粒子9aおよび第2の結晶群を構成する結晶粒子9bの合計の面積に対する第2の結晶群を構成する結晶粒子9bの面
積割合は、上記平均粒径を求める際に用いたデータを使って算出する。
Further, the area ratio of the crystal grains 9b constituting the second crystal group to the total area of the crystal grains 9a constituting the first crystal group constituting the dielectric ceramic and the crystal grains 9b constituting the second crystal group. Is calculated using the data used to determine the average particle size.
また、本実施形態のコンデンサでは、誘電体磁器を構成する結晶粒子9が、チタン酸バリウムの結晶粒子であることが望ましい。結晶粒子9がカルシウムなどを含まない(結晶粒子中のカルシウム濃度が0.1原子%未満)ものであると、誘電損失(誘電正接)のより小さい誘電体磁器を得ることができる。 In the capacitor of this embodiment, it is desirable that the crystal particles 9 constituting the dielectric ceramic are barium titanate crystal particles. When the crystal particle 9 does not contain calcium or the like (the calcium concentration in the crystal particle is less than 0.1 atomic%), a dielectric ceramic having a smaller dielectric loss (dielectric loss tangent) can be obtained.
また、誘電体磁器を構成する結晶粒子9が、結晶粒子中のカルシウムの濃度が0.3原子%より少ない第1の結晶粒子と、結晶粒子中のカルシウムの濃度が0.3原子%以上である第2の結晶粒子とを有する複合粒子であることが好ましい。結晶粒子9を上記のような複合粒子により形成すると、誘電損失が小さくかつ直流電圧を印加しない条件での比誘電率の温度変化率を小さくすることができる。 In addition, the crystal particles 9 constituting the dielectric porcelain include a first crystal particle having a calcium concentration of less than 0.3 atomic% in the crystal particle and a calcium concentration in the crystal particle of 0.3 atomic% or more. A composite particle having certain second crystal particles is preferable. When the crystal particles 9 are formed of the composite particles as described above, the temperature change rate of the relative dielectric constant under the condition that the dielectric loss is small and no DC voltage is applied can be reduced.
さらに、誘電体磁器が、チタン酸バリウムを構成するチタン100モルに対して、マンガンがMnO換算で0.30〜0.50モルであるとともに、b/(a+b)が0.4〜0.6であると、高温負荷状態での比誘電率の温度変化率を51.5%(−51.5%)以内にすることができる。 Furthermore, the dielectric porcelain is 0.30 to 0.50 mol of manganese in terms of MnO with respect to 100 mol of titanium constituting barium titanate, and b / (a + b) is 0.4 to 0.6. If it is, the temperature change rate of the dielectric constant in a high temperature load state can be made into 51.5% (-51.5%) or less.
またさらに、結晶粒子9a、9bがカルシウムを含むものであり、そのカルシウムの濃度が9モル%以下、0.1〜9.0モル%であると、誘電体磁器の誘電損失をより低くすることが可能となる。 Furthermore, when the crystal particles 9a and 9b contain calcium, and the concentration of the calcium is 9 mol% or less and 0.1 to 9.0 mol%, the dielectric loss of the dielectric ceramic is further reduced. Is possible.
結晶粒子9a、9b中のカルシウムの濃度については、誘電体磁器の断面を研磨した研磨面に存在する結晶粒子に対して、元素分析機器を付設した透過型電子顕微鏡を用いて元素分析を行う。このとき電子線のスポットサイズは5nm以下とし、分析する箇所は結晶粒子9a、9bの中央部とし、分析によって検出されるBa、Ti、Ca、V、Mg、Y、RE(希土類元素)およびMnの全量を100%としたときのカルシウムの割合を求める。分析する結晶粒子9a、9bは顕微鏡観察のモニター(写真)に写し出されているほぼ中央部に結晶粒子が約10個入る円を描くことによって選択する。結晶粒子9a、9bの中央部は各結晶粒子の輪郭に沿って描いた円の中心とする。 Regarding the concentration of calcium in the crystal particles 9a and 9b, elemental analysis is performed on the crystal particles present on the polished surface obtained by polishing the cross section of the dielectric ceramic using a transmission electron microscope provided with an elemental analysis device. At this time, the spot size of the electron beam is set to 5 nm or less, and the site to be analyzed is the central portion of the crystal particles 9a and 9b. Ba, Ti, Ca, V, Mg, Y, RE (rare earth element) and Mn detected by the analysis The ratio of calcium when the total amount of is 100% is determined. The crystal particles 9a and 9b to be analyzed are selected by drawing a circle containing about 10 crystal particles in the substantially central portion shown on the monitor (photograph) for microscopic observation. The center part of the crystal grains 9a and 9b is the center of a circle drawn along the outline of each crystal grain.
また、本実施形態のコンデンサの場合、誘電体磁器中に含まれる希土類元素(RE)をガドリニウム(Gd)にすると、他の希土類元素(RE)を用いたときに比べて、無負荷状態および高温負荷状態での比誘電率の温度変化率を小さくできるとともに、室温(25℃)における比誘電率および高温負荷寿命を向上させることができる。 Further, in the case of the capacitor according to the present embodiment, when the rare earth element (RE) contained in the dielectric ceramic is gadolinium (Gd), compared with the case where other rare earth elements (RE) are used, the no-load state and the high temperature are increased. While the temperature change rate of the relative permittivity in the loaded state can be reduced, the relative permittivity and the high temperature load life at room temperature (25 ° C.) can be improved.
また、本実施形態のコンデンサでは、所望の誘電特性を維持できる範囲であれば、前記した成分以外に他の成分を含んでいてもよく、例えば、焼結性を高めるための助剤としてガラス成分や他の添加成分を誘電体磁器中に0.5〜2質量%の割合で含有させることが可能である。 Further, in the capacitor according to the present embodiment, other components may be included in addition to the above-described components as long as desired dielectric characteristics can be maintained. For example, a glass component as an auxiliary agent for enhancing sinterability. And other additive components can be contained in the dielectric ceramic in a proportion of 0.5 to 2% by mass.
次に、本実施形態のコンデンサを製造する方法について説明するが、以下に記載する製造方法は一例であり、この方法のみに限定されるものではない。まず、原料粉末として、チタン酸バリウム粉末(純度が99質量%以上、以下、BT粉末という。)またはチタン酸バリウムにカルシウムを固溶させたチタン酸バリウムカルシウム粉末(純度が99質量%以上、以下、BCT粉末という。)、あるいはBT粉末およびBCT粉末の混合粉末(以下、BT粉末、BCT粉末および混合粉末を総称して原料粉末という場合がある。)を準備する。この場合、BCT粉末としては、チタン酸バリウムのBaサイトの一部がCaで置換されたペロブスカイト型のチタン酸バリウムであり、化学式(Ba1−xCax)TiO3で表される。なお、本発明において、Baサイト中のCa置換量は、X=0.0
1〜0.05であるのがよい。
Next, a method for manufacturing the capacitor of the present embodiment will be described. However, the manufacturing method described below is an example, and the method is not limited to this method. First, as raw material powder, barium titanate powder (purity is 99% by mass or more, hereinafter referred to as BT powder) or barium calcium titanate powder in which calcium is dissolved in barium titanate (purity is 99% by mass or more, below) , BCT powder) or a mixed powder of BT powder and BCT powder (hereinafter, BT powder, BCT powder and mixed powder may be collectively referred to as raw material powder). In this case, the BCT powder is a perovskite-type barium titanate in which a part of the Ba site of barium titanate is substituted with Ca, and is represented by the chemical formula (Ba 1-x Ca x ) TiO 3 . In the present invention, the amount of Ca substitution in the Ba site is X = 0.0.
It is good that it is 1-0.05.
また、添加剤として、Tb4O7粉末、Dy2O3粉末、Ho2O3粉末、Er2O3粉末およびGd2O3粉末の群から選ばれる少なくとも1種とを準備する。 Further, as additives, Tb 4 O 7 powder, Dy 2 O 3 powder, Ho 2 O 3 powder, to prepare at least one selected from Er 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder group.
原料粉末の平均粒径はいずれも0.10〜0.35μm、特に0.15〜0.30μmであることが望ましい。添加剤であるTb4O7粉末、Dy2O3粉末、Ho2O3粉末、Er2O3粉末およびGd2O3粉末についても、平均粒径は原料粉末と同等、もしくはそれ以下のものを用いることが好ましい。 The average particle diameter of the raw material powder is preferably 0.10 to 0.35 μm, particularly 0.15 to 0.30 μm. The additive Tb 4 O 7 powder, Dy 2 O 3 powder, Ho 2 O 3 powder, Er 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder also have an average particle size equal to or less than that of the raw material powder. Is preferably used.
また、誘電特性をより高めるという理由から、場合によっては、添加剤として、V2O5粉末、MgO粉末、MnCO3粉末およびY2O3粉末を準備する。この場合も平均粒径は原料粉末と同等もしくはそれ以下であるのが良い。 In addition, for the reason of further improving the dielectric characteristics, V 2 O 5 powder, MgO powder, MnCO 3 powder and Y 2 O 3 powder are prepared as additives in some cases. Also in this case, the average particle diameter is preferably equal to or less than that of the raw material powder.
次いで、これらの原料粉末を用いてスラリーを調製するが、本実施形態のコンデンサを製造する場合には、誘電体磁器を形成するために用いる原料粉末の全量のうち、焼成後に第2の結晶群の結晶粒子9bを形成する比率に相当する分量を予め小分けし、小分けした原料粉末に、添加する希土類元素(RE)の酸化物粉末のうち、こちらも小分けした原料粉末の比率に相当するモル比の希土類元素(RE)を添加し、コーティング処理を行う。コーティング処理はそれぞれ所定量の原料粉末と希土類元素(RE)の酸化物粉末とを混合した後、450〜800℃の温度での仮焼による。 Next, a slurry is prepared using these raw material powders. When the capacitor of the present embodiment is manufactured, the second crystal group after firing out of the total amount of the raw material powders used for forming the dielectric ceramic. The amount corresponding to the ratio of forming the crystal particles 9b is divided in advance, and the molar ratio corresponding to the ratio of the subdivided raw material powder among the rare earth element (RE) oxide powder added to the subdivided raw material powder. The rare earth element (RE) is added and coating is performed. The coating process is performed by calcining at a temperature of 450 to 800 ° C. after mixing a predetermined amount of raw material powder and rare earth element (RE) oxide powder.
次に、希土類元素(RE)の酸化物粉末をコーティング処理した原料粉末(以下、被覆粉末という。)と、希土類元素(RE)の酸化物粉末をコーティング処理していない残りの原料粉末と、残りの希土類元素(RE)の酸化物粉末と、V2O5粉末、MgO粉末、MnCO3粉末およびY2O3粉末等の添加剤粉末とをそれぞれ所定量添加して誘電体粉末を調製する。 Next, a raw material powder coated with a rare earth element (RE) oxide powder (hereinafter referred to as a coating powder), a remaining raw material powder not coated with a rare earth element (RE) oxide powder, A dielectric powder is prepared by adding a predetermined amount of each of rare earth element (RE) oxide powder and additive powders such as V 2 O 5 powder, MgO powder, MnCO 3 powder, and Y 2 O 3 powder.
次に、上記のように配合して調製した誘電体粉末に専用の有機ビヒクルを加えてセラミックスラリを調製し、次いで、ドクターブレード法やダイコータ法などのシート成形法を用いてセラミックグリーンシートを形成する。この場合、セラミックグリーンシートの厚みは誘電体層5の高容量化のための薄層化、高絶縁性を維持するという点で1〜6μmが好ましい。 Next, a ceramic slurry is prepared by adding a special organic vehicle to the dielectric powder prepared as described above, and then a ceramic green sheet is formed using a sheet forming method such as a doctor blade method or a die coater method. To do. In this case, the thickness of the ceramic green sheet is preferably 1 to 6 μm from the viewpoint of reducing the thickness of the dielectric layer 5 to increase the capacity and maintaining high insulation.
次に、得られたセラミックグリーンシートの主面上に矩形状の内部電極パターンを印刷して形成する。内部電極パターンとなる導体ペーストはNi、Cuもしくはこれらの合金粉末が好適である。 Next, a rectangular internal electrode pattern is printed and formed on the main surface of the obtained ceramic green sheet. Ni, Cu, or an alloy powder thereof is suitable for the conductor paste that forms the internal electrode pattern.
次に、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを所望枚数重ねて、その上下に内部電極パターンを形成していないセラミックグリーンシートを複数枚、上下層が同じ枚数になるように重ねてシート積層体を形成する。この場合、シート積層体中における内部電極パターンは、長手方向に半パターンずつずらしてある。 Next, stack the desired number of ceramic green sheets with internal electrode patterns, and stack multiple ceramic green sheets without internal electrode patterns on the top and bottom so that the upper and lower layers are the same number. Form the body. In this case, the internal electrode pattern in the sheet laminate is shifted by a half pattern in the longitudinal direction.
次に、シート積層体を格子状に切断して、内部電極パターンの端部が露出するようにコンデンサ本体成形体を形成する。このような積層工法により、切断後のコンデンサ本体成形体の端面に内部電極パターンが交互に露出されるように形成できる。 Next, the sheet laminate is cut into a lattice shape to form a capacitor body molded body so that the end of the internal electrode pattern is exposed. By such a laminating method, the internal electrode pattern can be formed so as to be alternately exposed on the end surface of the cut capacitor body molded body.
次に、コンデンサ本体成形体を脱脂した後焼成する。焼成温度は、本実施形態におけるBCT粉末および被覆粉末への添加剤の固溶と結晶粒子の粒成長を抑制するという理由から1200〜1300℃が好ましい。 Next, the capacitor body molded body is degreased and fired. The firing temperature is preferably 1200 to 1300 ° C. because the solid solution of the additive in the BCT powder and the coating powder and the grain growth of the crystal particles are suppressed in this embodiment.
また、焼成後に、再度、弱還元雰囲気にて熱処理を行う。この熱処理は還元雰囲気中での焼成において還元された誘電体磁器を再酸化し、焼成時に還元されて低下した絶縁抵抗を回復するために行うものである。その温度は結晶粒子9の粒成長を抑えつつ再酸化量を高めるという理由から900〜1100℃が好ましい。こうして高温負荷状態においても比誘電率の温度変化率の小さい誘電体磁器を得ることができる。 Moreover, after baking, it heat-processes in a weak reducing atmosphere again. This heat treatment is performed to reoxidize the dielectric ceramic reduced in firing in a reducing atmosphere and recover the insulation resistance reduced and reduced during firing. The temperature is preferably 900 to 1100 ° C. for the purpose of increasing the amount of reoxidation while suppressing the grain growth of the crystal grains 9. In this way, a dielectric ceramic having a small relative dielectric constant temperature change rate can be obtained even in a high temperature load state.
次に、このコンデンサ本体1の対向する端部に、外部電極ペーストを塗布して焼付けを行い外部電極3を形成する。また、この外部電極3の表面には実装性を高めるためにメッキ膜を形成しても構わない。 Next, an external electrode paste is applied to the opposing ends of the capacitor body 1 and baked to form the external electrodes 3. Further, a plating film may be formed on the surface of the external electrode 3 in order to improve mountability.
以下、実施例を挙げて本発明のコンデンサを詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, although an example is given and a capacitor of the present invention is explained in detail, the present invention is not limited to the following examples.
まず、原料粉末として、BT粉末、BCT粉末、ならびにBT粉末およびBCT粉末の混合粉末を準備した。また、添加剤として、V2O5粉末と、MgO粉末と、MnCO3粉末と、Y2O3粉末と、Tb4O7粉末、Dy2O3粉末、Ho2O3粉末、Er2O3粉末およびGd2O3粉末の群から選ばれる少なくとも1種の希土類元素(RE)の酸化物粉末(以下、希土類元素の酸化物粉末という。)とを準備した。次いで、これらの各種粉末を以下の手順で混合して、誘電体粉末の組成が最終的に表1および表2に示す割合になるよう調製した。これらの原料粉末は純度が99.9質量%のものを用いた。原料粉末は平均粒径が0.2μmのものを用いた。V2O5粉末、MgO粉末、MnCO3粉末、Y2O3粉末、希土類元素の酸化物粉末は平均粒径が約0.1μmのものを用いた。BCT粉末のBa/Ti比はいずれも1とした。 First, BT powder, BCT powder, and a mixed powder of BT powder and BCT powder were prepared as raw material powder. Further, as additives, V 2 O 5 powder, MgO powder, MnCO 3 powder, Y 2 O 3 powder, Tb 4 O 7 powder, Dy 2 O 3 powder, Ho 2 O 3 powder, Er 2 O 3 powders and at least one rare earth element (RE) oxide powder selected from the group of Gd 2 O 3 powder (hereinafter referred to as rare earth element oxide powder) were prepared. Next, these various powders were mixed by the following procedure to prepare the dielectric powder so that the composition finally had the ratios shown in Tables 1 and 2. These raw material powders having a purity of 99.9% by mass were used. The raw material powder having an average particle size of 0.2 μm was used. V 2 O 5 powder, MgO powder, MnCO 3 powder, Y 2 O 3 powder, and rare earth element oxide powder having an average particle diameter of about 0.1 μm were used. The Ba / Ti ratio of the BCT powder was set to 1.
原料粉末に希土類元素の酸化物粉末をコーティング処理して付着させた粉末(以下、被覆粉末という。)を調製する場合には、用いる原料粉末および希土類元素の酸化物粉末の全量のうち、誘電体磁器中に形成する第2の結晶群の結晶粒子の割合に応じた原料粉末の分量と、この小分けした原料粉末の比率に対応する割合の希土類元素の酸化物粉末をそれぞれ秤量し、これらの粉末をボールミルを用いて混合した後、セラミックス製の容器に入れ、500℃、1時間の熱処理を行った。こうして被覆粉末を調製した。 When preparing a powder in which a rare earth element oxide powder is applied to a raw material powder by coating (hereinafter referred to as a coating powder), the dielectric material is used out of the total amount of the raw material powder and the rare earth element oxide powder to be used. The amount of the raw material powder corresponding to the proportion of the crystal particles of the second crystal group formed in the porcelain and the proportion of the rare earth element oxide powder corresponding to the proportion of the subdivided raw material powder are respectively weighed. Were mixed using a ball mill, and then placed in a ceramic container and subjected to heat treatment at 500 ° C. for 1 hour. A coated powder was thus prepared.
次に、被覆粉末に、残りの原料粉末と、残りの希土類元素の酸化物粉末と、V2O5粉末と、MgO粉末と、MnCO3粉末と、Y2O3粉末とを添加して誘電体粉末を調製した。この場合、被覆粉末と希土類元素(RE)の酸化物を被覆していない原料粉末との混合比は、被覆粉末が第2の結晶群の結晶粒子に対応し、また、原料粉末が第1の結晶群の結晶粒子に対応するように、表3および表4のb/(a+b)比になるようにした。 Next, the remaining raw material powder, the remaining rare earth element oxide powder, the V 2 O 5 powder, the MgO powder, the MnCO 3 powder, and the Y 2 O 3 powder are added to the coating powder to form a dielectric. Body powder was prepared. In this case, the mixing ratio of the coating powder to the raw material powder not coated with the rare earth element (RE) oxide is such that the coating powder corresponds to the crystal particles of the second crystal group and the raw material powder is the first powder. The b / (a + b) ratios in Tables 3 and 4 were set so as to correspond to the crystal grains of the crystal group.
焼結助剤はSiO2=55、BaO=20、CaO=15、Li2O=10(モル%)組成のガラス粉末を用いた。ガラス粉末の添加量はBCT粉末100質量部に対して1質量部とした。 As the sintering aid, glass powder having a composition of SiO 2 = 55, BaO = 20, CaO = 15, and Li 2 O = 10 (mol%) was used. The addition amount of the glass powder was 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the BCT powder.
次に、これらの原料粉末を直径5mmのジルコニアボールを用いて、溶媒としてトルエンとアルコールとの混合溶媒を添加し湿式混合した。湿式混合した粉末にポリビニルブチラール樹脂およびトルエンとアルコールの混合溶媒を添加し、同じく直径5mmのジルコニアボールを用いて湿式混合しセラミックスラリを調製し、ドクターブレード法により厚み2μmのセラミックグリーンシートを作製した。 Next, these raw material powders were wet mixed by adding a mixed solvent of toluene and alcohol as a solvent using zirconia balls having a diameter of 5 mm. A polyvinyl butyral resin and a mixed solvent of toluene and alcohol were added to the wet-mixed powder, and wet-mixed using a zirconia ball having a diameter of 5 mm to prepare a ceramic slurry. A ceramic green sheet having a thickness of 2 μm was prepared by a doctor blade method. .
このセラミックグリーンシートの上面にNiを主成分とする矩形状の内部電極パターン
を複数形成した。内部電極パターンに用いた導体ペーストは、Ni粉末は平均粒径0.3μmのものを、共材としてグリーンシートに用いたBCT粉末をNi粉末100質量部に対して30質量部添加した。
A plurality of rectangular internal electrode patterns mainly containing Ni were formed on the upper surface of the ceramic green sheet. The conductor paste used for the internal electrode pattern was Ni powder having an average particle size of 0.3 μm, and 30 parts by mass of BCT powder used for a green sheet as a co-material with respect to 100 parts by mass of Ni powder.
次に、内部電極パターンを印刷したセラミックグリーンシートを300枚積層し、その上下面に内部電極パターンを印刷していないセラミックグリーンシートをそれぞれ20枚積層し、プレス機を用いて温度60℃、圧力107Pa、時間10分の条件で一括積層し、所定の寸法に切断して積層成形体を形成した。 Next, 300 ceramic green sheets on which internal electrode patterns were printed were laminated, and 20 ceramic green sheets on which the internal electrode patterns were not printed were laminated on the upper and lower surfaces, respectively, using a press machine at a temperature of 60 ° C. and pressure Lamination was performed under the conditions of 10 7 Pa and time 10 minutes, and cut into predetermined dimensions to form a laminated molded body.
得られた積層成形体を10℃/hの昇温速度で大気中で300℃にて脱バインダ処理を行い、同じ昇温速度で加熱した後、500℃からの昇温速度を300℃/hとし、水素−窒素中、1250℃で2時間焼成し、次いで、300℃/hの降温速度で1000℃まで冷却した後、窒素雰囲気中1000℃で4時間の加熱処理(再酸化処理)を施し、300℃/hの降温速度で冷却してコンデンサ本体を作製した。このコンデンサ本体のサイズは積層セラミックコンデンサの型式で3216型に適合するサイズとした。誘電体層の平均厚みは3.6μm、内部電極層の1層の有効面積は3.54mm2であった。ここで、有効面積とは、コンデンサ本体の異なる方向の端面に露出するように形成される内部電極層同士が重なる面積のことである。 The obtained laminated molded body was subjected to binder removal treatment at 300 ° C. in the atmosphere at a temperature rising rate of 10 ° C./h, heated at the same temperature rising rate, and then heated from 500 ° C. to 300 ° C./h. Then, after baking at 1250 ° C. for 2 hours in hydrogen-nitrogen, and then cooling to 1000 ° C. at a temperature drop rate of 300 ° C./h, heat treatment (reoxidation treatment) is performed at 1000 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. The capacitor body was manufactured by cooling at a temperature decrease rate of 300 ° C./h. The size of the capacitor body is a size of a multilayer ceramic capacitor that is compatible with the 3216 type. The average thickness of the dielectric layer was 3.6 μm, and the effective area of one internal electrode layer was 3.54 mm 2 . Here, the effective area is an area where internal electrode layers formed so as to be exposed at end faces in different directions of the capacitor body overlap.
なお、試料No.36および試料No.93については、希土類元素の酸化物粉末の全量を後添加(コーティング処理に用いたもの無し)して調製したものである。試料No.37および試料No.94は、全量の希土類元素の酸化物粉末と全量の原料粉末とを混合して被覆粉末を調製し、これにV2O5粉末と、MgO粉末と、MnCO3粉末と、Y2O3粉末と、焼結助剤とを添加したものである。試料No.38および試料No.95は、平均粒径が0.1μmの原料粉末を用いて調製した被覆粉末と、平均粒径が0.45μmの原料粉末とを混合して調製したものである。試料No.39および試料No.96は、被覆粉末を調製する原料粉末として平均粒径が0.2μmの用い、後添加する原料粉末(表1、表2において第1の結晶群の結晶粒子に対応する結晶粒子)として平均粒径が50nmのものを用いたものである。試料No.40、41、46〜48は、本焼成する際の500℃から最高温度までの昇温速度を変更したものであり、試料No.40は1000℃/h、試料No.41は1500℃/h、試料No.46は1300℃/h、試料No.47は150℃/hおよび試料No.48は1900℃/hである。また、試料No.97、98、103〜105も本焼成する際の500℃から最高温度までの昇温速度を変更したものであり、試料No.97は1000℃/h、試料No.98は1500℃/h、試料No.103は1300℃/h、試料No.104は150℃/hおよび試料No.105は1900℃/hである。 Sample No. 36 and sample no. No. 93 was prepared by post-adding the whole amount of the rare earth oxide powder (no coating used). Sample No. 37 and Sample No. No. 94 is a coating powder prepared by mixing the total amount of rare earth element oxide powder and the total amount of raw material powder, to which V 2 O 5 powder, MgO powder, MnCO 3 powder, and Y 2 O 3 powder are prepared. And a sintering aid. Sample No. 38 and Sample No. No. 95 is prepared by mixing a coating powder prepared using a raw material powder having an average particle size of 0.1 μm and a raw material powder having an average particle size of 0.45 μm. Sample No. 39 and sample no. 96 is used as a raw material powder for preparing a coating powder having an average particle size of 0.2 μm, and is added as a raw material powder (crystal particles corresponding to the crystal particles of the first crystal group in Tables 1 and 2). The one with a diameter of 50 nm is used. Sample No. Nos. 40, 41, and 46 to 48 are obtained by changing the heating rate from 500 ° C. to the maximum temperature during the main firing. 40 is 1000 ° C./h, sample no. 41 is 1500 ° C./h. 46 is 1300 ° C./h. 47 is 150 ° C./h and sample no. 48 is 1900 ° C./h. Sample No. Nos. 97, 98, and 103 to 105 are obtained by changing the heating rate from 500 ° C. to the maximum temperature during the main firing. 97 is 1000 ° C./h. 98 is 1500 ° C./h. 103 is 1300 ° C./h. 104 is 150 ° C./h and sample no. 105 is 1900 degrees C / h.
試料No.49、106は、被覆粉末となる原料粉末として平均粒径が50nmの原料粉末を用いたものである。 Sample No. Nos. 49 and 106 are raw material powders having an average particle diameter of 50 nm as raw material powders to be coated powders.
試料No.50〜53は、被覆粉末を調製する際の仮焼温度を変更したものであり、試料No.50は450℃、試料No.51は650℃、試料No.52は300℃および試料No.53は950℃である。 Sample No. Nos. 50 to 53 are obtained by changing the calcining temperature when preparing the coating powder. 50 is 450 ° C., sample no. 51 is 650 ° C., sample No. 52 is 300 ° C. and sample no. 53 is 950 degreeC.
試料No.107〜110も被覆粉末を調製する際の仮焼温度を変更したものであり、試料No.107は450℃、試料No.108は650℃、試料No.109は300℃および試料No.110は950℃である。 Sample No. Nos. 107 to 110 are also obtained by changing the calcining temperature when preparing the coating powder. No. 107 is 450 ° C., sample no. No. 108 is 650 ° C., sample no. 109 is 300 ° C. and sample no. 110 is 950 degreeC.
次に、焼成したコンデンサ本体をバレル研磨した後、コンデンサ本体の両端部にCu粉末とガラスを含んだ外部電極ペーストを塗布し、850℃で焼き付けを行い外部電極を形
成した。その後、電解バレル機を用いて、この外部電極の表面に、順にNiメッキ及びSnメッキを行い、積層型のコンデンサを作製した。
<評価>
得られた積層セラミックコンデンサについて以下の評価を行った。ここで、比誘電率、誘電損失、静電容量の温度特性の評価はいずれも試料数10個とし、その平均値を求めた。
(1)比誘電率
静電容量を温度25℃、周波数1.0kHz、測定電圧1Vrmsの測定条件で測定し、得られた静電容量から誘電体層の厚み、内部電極層の全層の有効面積の和および真空の誘電率をもとに換算して求めた。
(2)誘電損失
静電容量と同条件で測定した。
(3)比誘電率の温度特性
静電容量を温度125℃で測定して25℃のときの静電容量に対する変化率を求めた。また、25Vの直流電圧を印加して、125℃での静電容量を測定し、無負荷(DC=0V)状態で25℃のときの静電容量に対する変化率を求めた(以下、高温負荷状態での比誘電率の温度変化率という。)。
(4)高温負荷試験
温度170℃において、印加電圧170Vの条件で行った。高温負荷試験での試料数は各試料30個とし、故障確率が50%に達したときの時間である平均故障時間を調べた。(5)結晶粒子中の希土類元素(RE)の濃度、濃度勾配および結晶粒子比(b/(a+b))ならびに結晶粒子の平均粒径の測定
結晶粒子中の希土類元素(RE)の濃度分布については、誘電体磁器の断面を研磨した後、透過型電子顕微鏡に付設のモニターに映し出された画像上で結晶粒子が約30個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択し、元素分析機器を付設した透過型電子顕微鏡を用いて元素分析を行った。なお、本実施例では、結晶粒子が約30個入る円を単位面積とした。このとき選択する結晶粒子は、その輪郭から画像処理にて各粒子の面積を求め、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、求めた結晶粒子の直径がおおよそ0.08〜0.60範囲にある結晶粒子とした。分析を行うときの電子線のスポットサイズは0.5〜2nmとし、分析する箇所は、結晶粒子の粒界から20nm(±1nm)の深さの位置とした。具体的に結晶粒子中の希土類元素(RE)の濃度を求めるときには、結晶粒子の中心部に電子線を当てて、得られたX線の出力から結晶粒子に含まれる主要な元素(バリウム(Ba)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)および希土類元素(RE))の量を100原子%として求め、この中から希土類元素(RE)の割合を求めた。
Next, the fired capacitor body was barrel-polished, and then an external electrode paste containing Cu powder and glass was applied to both ends of the capacitor body and baked at 850 ° C. to form external electrodes. Thereafter, using an electrolytic barrel machine, Ni plating and Sn plating were sequentially performed on the surface of the external electrode to produce a multilayer capacitor.
<Evaluation>
The obtained multilayer ceramic capacitor was evaluated as follows. Here, the evaluation of the temperature characteristics of the relative permittivity, dielectric loss, and capacitance was all 10 samples, and the average value was obtained.
(1) Relative permittivity The capacitance is measured under the measurement conditions of a temperature of 25 ° C., a frequency of 1.0 kHz, and a measurement voltage of 1 Vrms. From the obtained capacitance, the thickness of the dielectric layer and the effectiveness of all layers of the internal electrode layer are measured. It was calculated based on the sum of areas and the dielectric constant of vacuum.
(2) Dielectric loss It measured on the same conditions as an electrostatic capacitance.
(3) Temperature characteristics of relative permittivity The capacitance was measured at a temperature of 125 ° C., and the rate of change relative to the capacitance at 25 ° C. was determined. In addition, by applying a DC voltage of 25 V, the capacitance at 125 ° C. was measured, and the rate of change with respect to the capacitance at 25 ° C. in a no-load (DC = 0 V) state was obtained (hereinafter referred to as high temperature load). This is called the temperature change rate of the relative permittivity in the state.
(4) High-temperature load test The test was performed at a temperature of 170 ° C. under an applied voltage of 170V. The number of samples in the high-temperature load test was 30 samples, and the average failure time, which was the time when the failure probability reached 50%, was examined. (5) Measurement of rare earth element (RE) concentration, concentration gradient and crystal particle ratio (b / (a + b)) in crystal grains and average particle diameter of crystal grains Concentration distribution of rare earth elements (RE) in crystal grains After polishing the dielectric ceramic cross section, draw a circle containing about 30 crystal grains on the image displayed on the monitor attached to the transmission electron microscope, and select the crystal grains that fall within and around the circle. Then, elemental analysis was performed using a transmission electron microscope equipped with elemental analysis equipment. In this embodiment, a unit area is a circle containing about 30 crystal grains. The crystal particles to be selected at this time are obtained by calculating the area of each particle by image processing from the outline, and calculating the diameter when replaced with a circle having the same area, and the calculated crystal particle diameter is approximately 0.08 to 0. Crystal grains in the range of .60. The spot size of the electron beam at the time of analysis was 0.5 to 2 nm, and the location to be analyzed was a position 20 nm (± 1 nm) deep from the grain boundary of the crystal grains. Specifically, when the concentration of the rare earth element (RE) in the crystal grain is obtained, an electron beam is applied to the center of the crystal grain, and the main element contained in the crystal grain (barium (Ba) (Ba) ), Titanium (Ti), vanadium (V), magnesium (Mg), manganese (Mn) and rare earth element (RE)) were determined as 100 atomic%, and the ratio of rare earth element (RE) was determined from this amount. .
次に、希土類元素(RE)の濃度勾配を求めるときは、分析する箇所は結晶粒子の粒界付近から中央部の中心の位置までの範囲で、その中心へ向けて引いた直線上のほぼ等間隔に位置する点とし、粒界付近と、粒界からおおよそ20nmおよび200nmの深さにおいて分析した値から求めた。この場合、結晶粒子の粒界(0〜1nm)における希土類元素(RE)の濃度からそれぞれ深さ19〜21nmおよび195〜205nmにおける希土類元素(RE)の濃度を引いた値(希土類元素の濃度)を、その分析した範囲(例えば、20nm−0nm=20nm、200nm−0nm=200nm)の距離で除して濃度勾配を求めた。この後、各結晶粒子についてそれぞれ希土類元素(RE)の濃度勾配を求めることにより第1の結晶群の結晶粒子9aと第2の結晶群の結晶粒子9bとを決定した。この分析を各試料5箇所行って平均値を求めた。 Next, when determining the concentration gradient of the rare earth element (RE), the location to be analyzed is in the range from the vicinity of the grain boundary of the crystal grains to the center position of the central portion, and is almost equal on the straight line drawn toward the center. The points were located at intervals, and were determined from values analyzed in the vicinity of the grain boundary and at a depth of approximately 20 nm and 200 nm from the grain boundary. In this case, the value obtained by subtracting the rare earth element (RE) concentration at a depth of 19 to 21 nm and 195 to 205 nm from the concentration of the rare earth element (RE) at the grain boundary (0 to 1 nm) of the crystal grain (concentration of the rare earth element). Was divided by the distance of the analyzed range (for example, 20 nm-0 nm = 20 nm, 200 nm-0 nm = 200 nm) to obtain a concentration gradient. Thereafter, the crystal grain 9a of the first crystal group and the crystal grain 9b of the second crystal group were determined by determining the concentration gradient of the rare earth element (RE) for each crystal particle. This analysis was performed at five locations for each sample to determine the average value.
このような分析において、希土類元素(RE)の濃度勾配が0.05〜0.20原子%を示した結晶粒子を「第1の結晶群を構成する結晶粒子」とし、希土類元素(RE)の濃度勾配が0.03原子%以下を示した結晶粒子を「第2の結晶群を構成する結晶粒子」と
した。
In such an analysis, a crystal particle having a rare earth element (RE) concentration gradient of 0.05 to 0.20 atomic% is referred to as “crystal particle constituting the first crystal group”, and the rare earth element (RE) A crystal grain having a concentration gradient of 0.03 atomic% or less was designated as “crystal grain constituting the second crystal group”.
結晶粒子中のカルシウムの濃度については、誘電体磁器の断面を研磨した研磨面に存在する結晶粒子に対して、元素分析機器を付設した透過型電子顕微鏡を用いて元素分析を行った。このとき電子線のスポットサイズは3nm以下とし、結晶粒子の中央部を分析し、分析によって検出されるBa、Ti、Ca、V、Mg、Y、RE(希土類元素)およびMnの全量を100%としたときのカルシウムの割合を求めた。その結果、カルシウムは表1に示す割合で含まれていることを確認した。分析する結晶粒子は顕微鏡観察のモニター(写真)に写し出されているほぼ中央部に結晶粒子が約10個入る円を描くことによって選択した。結晶粒子の中央部は各結晶粒子の輪郭に沿って描いた円の中心とした。 Regarding the concentration of calcium in the crystal particles, elemental analysis was performed on the crystal particles present on the polished surface obtained by polishing the cross section of the dielectric ceramic using a transmission electron microscope provided with an elemental analysis device. At this time, the spot size of the electron beam is 3 nm or less, the center part of the crystal particles is analyzed, and the total amount of Ba, Ti, Ca, V, Mg, Y, RE (rare earth element) and Mn detected by the analysis is 100%. The ratio of calcium was determined. As a result, it was confirmed that calcium was contained at a ratio shown in Table 1. The crystal particles to be analyzed were selected by drawing a circle with about 10 crystal particles in the approximate center shown in the microscope observation monitor (photo). The center part of the crystal grains was the center of a circle drawn along the outline of each crystal grain.
第1の結晶群を構成する結晶粒子および第2の結晶群を構成する結晶粒子のそれぞれの平均粒径は、誘電体磁器の断面を研磨(イオンミリング)した研磨面について、透過電子顕微鏡にて映し出されている画像をコンピュータに取り込んで、その画像上に存在する結晶粒子の輪郭を画像処理し、各粒子の面積を求めて、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、算出した結晶粒子30個の平均値より求めた。この場合、先に結晶粒子中から希土類元素(RE)の濃度勾配を求めた結果に基づいて結晶粒子9aと結晶粒子9bとを区別し、それぞれ平均値を求めて結晶粒子の平均粒径を求めた。 The average particle diameter of each of the crystal grains constituting the first crystal group and the crystal grains constituting the second crystal group is measured with a transmission electron microscope on the polished surface obtained by polishing (ion milling) the cross section of the dielectric ceramic. The projected image is taken into a computer, the contours of the crystal particles present on the image are processed, the area of each particle is obtained, and the diameter when replaced with a circle with the same area is calculated and calculated. It calculated | required from the average value of 30 crystal grains. In this case, the crystal particle 9a and the crystal particle 9b are distinguished from each other based on the result of the concentration gradient of the rare earth element (RE) previously obtained from the crystal particles, and the average value is obtained for each to obtain the average particle size of the crystal particles. It was.
誘電体磁器において、第1の結晶群を構成する結晶粒子および第2の結晶群を構成する結晶粒子の合計の面積に対する第2の結晶群を構成する結晶粒子の面積割合、b/(a+b)(但し、aは第1の結晶群を構成する結晶粒子9aの面積を示し、bは第2の結晶群を構成する結晶粒子9bの面積を示す)は、上記約30個について結晶粒子9a、9bの平均粒径を求めたデータから算出した。作製した試料のb/(a+b)比はいずれも原料粉末および被覆粉末の混合比に相当するものであった。
(6)試料の組成分析
得られた焼結体である試料の組成分析はICP分析および原子吸光分析により行った。この場合、得られた誘電体磁器を硼酸と炭酸ナトリウムと混合し溶融させたものを塩酸に溶解させて、まず、原子吸光分析により誘電体磁器に含まれる元素の定性分析を行い、次いで、特定した各元素について標準液を希釈したものを標準試料として、ICP発光分光分析にかけて定量化した。また、各元素の価数を周期表に示される価数として酸素量を求めた。なお、マンガンについてはMnOに換算して求めた。分析した結果、誘電体層の組成はいずれの試料についても調合組成に一致していた。調合組成と特性の結果を表1〜6
に示した。なお、試料No.38、39、95および96は参考試料である。
In the dielectric ceramic, the area ratio of the crystal grains constituting the second crystal group to the total area of the crystal grains constituting the first crystal group and the crystal grains constituting the second crystal group, b / (a + b) (Where a represents the area of the crystal grains 9a constituting the first crystal group, and b represents the area of the crystal grains 9b constituting the second crystal group). It calculated from the data which calculated | required the average particle diameter of 9b. The b / (a + b) ratio of the prepared sample was equivalent to the mixing ratio of the raw material powder and the coating powder.
(6) Composition analysis of sample The composition analysis of the sample which is the obtained sintered compact was performed by ICP analysis and atomic absorption analysis. In this case, the obtained dielectric porcelain mixed with boric acid and sodium carbonate and dissolved in hydrochloric acid is first subjected to qualitative analysis of the elements contained in the dielectric porcelain by atomic absorption spectrometry, and then specified. The diluted standard solution for each element was used as a standard sample and quantified by ICP emission spectroscopic analysis. Further, the amount of oxygen was determined using the valence of each element as the valence shown in the periodic table. Manganese was determined in terms of MnO. As a result of the analysis, the composition of the dielectric layer was consistent with the prepared composition for all the samples. Tables 1 to 6 show the results of the composition and properties.
It was shown to. Sample No. Reference numerals 38, 39, 95 and 96 are reference samples.
表1〜6の結果から明らかなように、試料No.1〜35、38〜92、95〜120では、室温(25℃)において直流電圧を印加しない条件で測定された静電容量を基準としたときに、125℃において、約25Vの直流電圧が印加されたときの静電容量の変化率が73%以内であった。 As is apparent from the results of Tables 1 to 6, sample No. 1 to 35, 38 to 92, and 95 to 120, a DC voltage of about 25 V is applied at 125 ° C. with reference to the capacitance measured under the condition that no DC voltage is applied at room temperature (25 ° C.). The change rate of the electrostatic capacity when it was done was within 73%.
また、試料No.1〜3、6、7、10、13、14、17、19、20、23、24、27、28、31〜35、40、42〜47、50、51、54〜63、64、65、68、69、72、75、76、79、81、82、85、86、89、90、97、99〜104、107、108および111〜120では、誘電体磁器の室温(25℃)における比誘電率が2000以上であり、比誘電率の温度特性が−13.8%以下を満足するとともに、25℃において直流電圧を負荷しない状態(無負荷状態)で測定した比誘電率に対して、125℃において誘電体層に25Vの直流電圧を印加した状態で測定した比誘電率の変化率を−51.8%以内(NPO(±0%)に近づく方向)にでき、さらに、170℃、170Vの直流電圧を印加の条件で評価される高温負荷寿命が34時間以上であった。 Sample No. 1-3, 6, 7, 10, 13, 14, 17, 19, 20, 23, 24, 27, 28, 31-35, 40, 42-47, 50, 51, 54-63, 64, 65, 68, 69, 72, 75, 76, 79, 81, 82, 85, 86, 89, 90, 97, 99 to 104, 107, 108 and 111 to 120, the ratio of the dielectric ceramic at room temperature (25 ° C.) The dielectric constant is 2000 or more, the temperature characteristic of the dielectric constant is −13.8% or less, and the relative dielectric constant measured in a state where no DC voltage is loaded at 25 ° C. (no load state), The rate of change of relative permittivity measured with a DC voltage of 25 V applied to the dielectric layer at 125 ° C. can be made within −51.8% (in the direction approaching NPO (± 0%)). 170V DC voltage is evaluated under application conditions. High temperature load lifetime is is equal to or greater than 34 hours.
この中で、誘電体磁器中に含まれるマンガンの含有量がMnO換算で0.30〜0.50モルであるとともに、第1、第2の結晶粒子に対する第2の結晶粒子の割合(b/(a+b))を0.4〜0.6とした試料No.1〜3、6、7、10、13、14、17、19、20、23、24、28、31〜35、40、42、43、45〜47、50、51、54〜63、64、65、68、69、72、75、76、79、81、82、85、86、90、97、99、100、102〜104、107、108および111〜118では、125℃において誘電体層に25Vの直流電圧を印加した状態で測定した比誘電率の変化率が−51.5%以内であった。 Among them, the content of manganese contained in the dielectric ceramic is 0.30 to 0.50 mol in terms of MnO, and the ratio of the second crystal particles to the first and second crystal particles (b / Sample No. (a + b)) of 0.4 to 0.6. 1-3, 6, 7, 10, 13, 14, 17, 19, 20, 23, 24, 28, 31-35, 40, 42, 43, 45-47, 50, 51, 54-63, 64, 65, 68, 69, 72, 75, 76, 79, 81, 82, 85, 86, 90, 97, 99, 100, 102-104, 107, 108 and 111-118 The rate of change in relative permittivity measured with a DC voltage of 25 V applied was within -51.5%.
さらに、結晶粒子中に含まれるカルシウムの濃度を0.1〜9モル%とした試料No.1〜3、6、7、10、13、14、17、19、20、23、24、28、31〜35、40、42、43、45〜47、50、51、54〜56、58〜63、64、65、68、69、72、75、76、79、81、82、85、86、90、97、99、100、102〜104、107、108および111〜113、および115〜120では、誘電損失が3.6%以下であった。 Furthermore, sample No. 1 in which the concentration of calcium contained in the crystal particles was 0.1 to 9 mol%. 1-3, 6, 7, 10, 13, 14, 17, 19, 20, 23, 24, 28, 31-35, 40, 42, 43, 45-47, 50, 51, 54-56, 58- 63, 64, 65, 68, 69, 72, 75, 76, 79, 81, 82, 85, 86, 90, 97, 99, 100, 102-104, 107, 108 and 111-113, and 115-120 Then, the dielectric loss was 3.6% or less.
この中で、結晶粒子を、結晶粒子中のカルシウムの濃度が0.3原子%より少ない第1の結晶粒子と、結晶粒子中のカルシウムの濃度が0.3原子%以上である第2の結晶粒子とを有する複合粒子とした試料No.1〜3、6、7、10、13、14、17、19、20、23、24、28、31〜35、40、42、43、45〜47、50、51、54〜56、58〜61、64、65、68、69、72、75、76、79、81、82、85、86、90、97、99、100、102〜104、107、108および111〜113,115〜118では、誘電損失が3.5%以下、直流電圧を印加しない条件での比誘電率の温度変化率が13.7%以下であった。 Among them, the crystal grains are classified into a first crystal particle having a calcium concentration of less than 0.3 atomic% and a second crystal having a calcium concentration of 0.3 atomic% or more in the crystal particle. Sample no. 1-3, 6, 7, 10, 13, 14, 17, 19, 20, 23, 24, 28, 31-35, 40, 42, 43, 45-47, 50, 51, 54-56, 58- 61, 64, 65, 68, 69, 72, 75, 76, 79, 81, 82, 85, 86, 90, 97, 99, 100, 102-104, 107, 108 and 111-113, 115-118 The dielectric loss was 3.5% or less, and the temperature change rate of the relative dielectric constant under the condition where no DC voltage was applied was 13.7% or less.
また、誘電体磁器を構成する結晶粒子がカルシウムなどを含まない(結晶粒子中のカルシウム濃度が0.1原子%未満)場合には誘電損失(誘電正接)が2%未満であった。 Further, when the crystal particles constituting the dielectric ceramic did not contain calcium or the like (calcium concentration in the crystal particles was less than 0.1 atomic%), the dielectric loss (dielectric loss tangent) was less than 2%.
さらに、誘電体磁器中に含まれる希土類元素(RE)をガドリニウム(Gd)とした試料(試料No.34、64、65、68、69、72、75、76、79、81、82、85、86、89、90、97、99〜104、107、108および111〜120)は、他の希土類元素(Tb、Dy、Ho、Er、Yb)を用いた同じ組成の試料に比較して、無負荷状態および高温負荷状態での比誘電率の温度変化率が小さく、かつ室温(25℃)における比誘電率および高温負荷寿命が高かった。 Furthermore, samples (sample Nos. 34, 64, 65, 68, 69, 72, 75, 76, 79, 81, 82, 85, in which the rare earth element (RE) contained in the dielectric ceramic is gadolinium (Gd). 86, 89, 90, 97, 99-104, 107, 108, and 111-120) are not compared to samples of the same composition using other rare earth elements (Tb, Dy, Ho, Er, Yb). The temperature change rate of the relative permittivity in the load state and the high temperature load state was small, and the relative permittivity and the high temperature load life at room temperature (25 ° C.) were high.
これに対して、試料No.36、37、93および94では、25℃において直流電圧を負荷しない状態(無負荷状態)で測定した比誘電率に対して、125℃において誘電体層に25Vの直流電圧を印加した状態で測定した比誘電率の変化率が−73%より大きかった。 In contrast, sample no. 36, 37, 93, and 94, measured at 25 ° C. with a DC voltage of 25 V applied to the dielectric layer at a relative dielectric constant measured at 25 ° C. with no DC voltage applied (no load state). The relative dielectric constant change rate was greater than −73%.
1・・・・コンデンサ本体
3・・・・外部電極
5・・・・誘電体層
7・・・・内部電極層
11・・・粒界相
9・・・・結晶粒子
9a・・・第1の結晶群を構成する結晶粒子
9b・・・第2の結晶群を構成する結晶粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...... Capacitor body 3 ... External electrode 5 ... Dielectric layer 7 ... Internal electrode layer 11 ... Grain boundary phase 9 ... Crystal grain 9a ... 1st The crystal particles 9b constituting the crystal group of the crystal grains constituting the second crystal group
Claims (7)
前記バナジウムがV2O5換算で0.05〜0.20モル、
前記イットリウムがY2O3換算で0.5〜2.0モル、
前記マグネシウムがMgO換算で1.0〜3.0モル、
前記マンガンがMnO換算で0.22〜0.50モル、
前記希土類元素(RE)がRE2O3換算で0.65〜2.80モルであり、
前記第1結晶群の結晶粒子の、粒界から20nmの深さの位置における、前記希土類元素(RE)の濃度が0.02〜0.42原子%、
前記第2結晶群の結晶粒子の、粒界から20nmの深さの位置における、前記希土類元素(RE)の濃度が0.45〜0.70原子%であり、
前記第1結晶群を構成する結晶粒子の平均粒径が0.10〜0.18μm、前記第2結晶群を構成する結晶粒子の平均粒径が0.2〜0.5μmであるとともに、
前記誘電体磁器の研磨面の単位面積当たりに見られる、前記第1の結晶群を構成する結晶粒子の面積をa、前記第2の結晶群を構成する結晶粒子の面積をbとしたときに、b/(a+b)が0.4〜0.7であることを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ。 The dielectric ceramic contains vanadium, magnesium, manganese, and yttrium, and 100 moles of titanium constituting the barium titanate,
The vanadium is 0.05 to 0.20 mol in terms of V 2 O 5 ,
The yttrium is 0.5 to 2.0 mol in terms of Y 2 O 3 ,
The magnesium is 1.0 to 3.0 mol in terms of MgO,
The manganese is 0.22 to 0.50 mol in terms of MnO,
The rare earth element (RE) is 0.65 to 2.80 mol in terms of RE 2 O 3 ,
The concentration of the rare earth element (RE) at a position 20 nm deep from the grain boundary of the crystal grains of the first crystal group is 0.02 to 0.42 atomic%,
The concentration of the rare earth element (RE) at a position 20 nm deep from the grain boundary of the crystal grains of the second crystal group is 0.45 to 0.70 atomic%;
The average particle diameter of the crystal particles constituting the first binding Akiragun is 0.10~0.18Myuemu, with an average grain size of crystal grains constituting the second binding Akiragun is 0.2~0.5μm ,
When the area of the crystal grains constituting the first crystal group and the area of the crystal grains constituting the second crystal group, which are found per unit area of the polished surface of the dielectric ceramic, are b, , B / (a + b) is 0.4 to 0.7.
である第2の結晶粒子とを有する複合粒子であることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載のコンデンサ。 The crystal particles contain calcium, the first crystal particles in which the concentration of calcium in the crystal particles is less than 0.3 atomic%, and the concentration of calcium in the crystal particles is 0.3 atomic% or more. The capacitor according to claim 1, wherein the capacitor is a composite particle having two crystal particles.
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