JP6117557B2

JP6117557B2 - 積層型電子部品

Info

Publication number: JP6117557B2
Application number: JP2013013360A
Authority: JP
Inventors: 政浩西垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: JP2014146654A

Description

本発明は、各種電子回路を構成する際に使用される積層型電子部品に関する。

従来より、複数の絶縁体層と複数の内部導体層とを積み重ねた後、一体的に焼成して作製された積層型電子部品が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような積層型電子部品において、形状が略等しくかつ重なり合う内部導体層を数枚積層した場合、特に、積層方向の最上層および最下層に位置する内部導体層とその主面に積層されたカバー層との間でデラミネーションが発生しやすいという問題がある。その原因は、内部導体層とカバー層とが例えば金属とセラミックスというように材質が全く異なるため接着し難いことや、内部導体層とセラミック絶縁体層との熱膨張係数が大きく異なるため、温度変化において内部導体層と絶縁体層との収縮量の差による歪みが大きくなるからである。

特開２０１１−１２９８４１号公報

従って、本発明の目的は、内部導体層を多層化してもデラミネーションの発生を抑制できる積層型電子部品を提供することにある。

本発明の積層型電子部品は、セラミック絶縁体層と内部導体層とが交互に多層に積層された積層部と、該積層部の積層方向の両端面にそれぞれ設けられたセラミック製のカバー層とを有する積層型電子部品において、前記内部導体層のうち前記カバー層に接している前記内部導体層は、面内にわたって厚みの薄い部分と厚みの厚い部分とで構成される凹凸が複数分布し、部分的に薄い領域に、該内部導体層を構成する金属の酸化物相が前記内部導体層を厚み方向に貫通するように形成されているものである。

本発明によれば、内部導体層を多数積層しても、デラミネーションの発生しない積層型電子部品を得ることができる。

図１は、本発明の積層型電子部品の一実施形態を示す概略断面図である。図１におけるカバー層付近（Ａ部）を拡大した概略断面図である。

図１は、本発明の積層型電子部品の一実施形態を示す概略断面図である。図２は、図１におけるカバー層付近（Ａ部）を拡大した概略断面図である。

本発明の積層型電子部品の一例として、以下のように積層型のコンデンサを例にして説明する。なお、本発明はコンデンサに限らず、アクチュエータ、フィルタ、インダクタなど、セラミック絶縁体層と内部導体層とが多層に積層された電子部品に幅広く適用できることは言うまでもない。

本実施形態の積層型電子部品は、電子部品本体１の対向する両端部に外部電極３を有し
ている。電子部品本体１は、セラミック絶縁体層５と内部導体層７とが交互に多層に積層された積層部９と、積層部９の積層方向の両方の端面９ａにそれぞれ設けられたセラミック製のカバー層１１とを有している。

ここで、内部導体層７のうち、カバー層１１に接している内部導体層７には、この内部導体層７を構成する金属の酸化物相１３がその内部導体層７を厚み方向に貫通するように形成されている。

通常、セラミック絶縁体層５と内部導体層７とが多層に積層された積層部９の端面９ａにセラミック製のカバー層１１を有するような積層型電子部品においては、内部導体層７とカバー層１１との材質が大きく異なることから元々接着し難いものとなっている。また、内部導体層７とセラミック絶縁体層５とは上記のように異なる材質であることから熱膨張係数も大きく異なっている。

このような構成の積層型電子部品が、例えば、ハンダのリフロー工程など温度変化の大きい環境に置かれると、セラミック絶縁体層５と内部導体層７との界面にデラミネーションが発生するという問題がある。このデラミネーションは上記した理由から、とりわけ積層部９の端面９ａとカバー層１１との界面に発生しやすくなっている。

本実施形態の積層型電子部品は、積層部９を構成している内部導体層７のうち、カバー層１１に接している内部導体層７中には、金属の酸化物相１３が内部導体層７を厚み方向に貫通するように形成されていることから内部導体層７とカバー層１１とが部分的ではあるが同じ酸化物同士で強固に接着されている。これにより内部導体層７とカバー層１１との間のデラミネーションを抑制することができる。

この場合、金属の酸化物相１３が内部導体層７を厚み方向に貫通した状態であることからカバー層１１と積層部９のセラミック絶縁層５とが金属の酸化物相１３を介して接続された状態でもあるため、内部導体層７とカバー層１１との間の接着性をより強固にでき、デラミネーションの防止に寄与するものとなっている。

また、この実施形態の積層型電子部品において、金属の酸化物相１３を有している内部導体層７がカバー層１１側から複数層にわたって設けられている場合には、カバー層１１に近い方の内部導体層７の熱膨張係数がセラミックス製のカバー層１１の熱膨張係数により近づくため、積層部９とカバー層１１との界面における応力をさらに低減でき、歪み量を小さくすることができる。これにより積層部９とカバー層１１との界面でのデラミネーションの発生をさらに抑制することができる。

金属の酸化物相１３を有する内部導体層７の層数は積層部９の端面９ａ側に１層設ければ効果を奏するものとなるが、金属の酸化物相１３を有する内部導体層７の層数が多くなるとデラミネーションの発生を抑えることができるものの、例えば、コンデンサなどの場合には静電容量の低下が大きくなる。このため金属の酸化物相１３を有する内部導体層７の層数は積層部９における端面９ａ側から１０層以下であることが望ましい。

本実施形態の積層型電子部品を構成する内部導体層７の主成分金属の熱膨張係数は１２×１０^−６〜２０×１０^−６／℃であることが望ましく、このような熱膨張係数を有する金属材料としては、ニッケル（１２．８×１０^−６／℃）、銅（１６．８×１０^−６／℃）、パラジウム（１１．８×１０^−６／℃）および銀（１８．９×１０^−６／℃）から選ばれる１種もしくはこれらの合金を適用することが好ましい。

セラミック絶縁体層５およびカバー層１１の材料としては、コンデンサ、アクチュエー
タ、インダクタ、フィルタなどに適用されるセラミック材料が好ましく、例えば、チタン酸バリウム、チタンジルコン酸鉛、フェライト、マグネシア，カルシア，五酸化ニオブおよび二酸化チタン等から選ばれる少なくとも２種の金属酸化物により構成される複合酸化物などが好ましい。これらの材料の熱膨張係数としては９×１０^−６〜１１×１０^−６／℃であるのが良い。

また、本実施形態の積層型電子部品では、内部導体層７の平均厚みは積層方向の中央部よりもカバー層１１側に近いほど薄くなっていることが望ましい。つまり、金属の酸化物相１３を有している内部導体層７の平均厚みが積層方向の中央部に位置する内部導体層７の平均厚みよりも薄くなっていることが望ましい。カバー層１１側の内部導体層７の平均厚みが薄くなっていると、内部導体層７の１層あたりの剛性を低下させることができるため、内部導体層７とカバー層１１との界面９ａに歪みが発生したときにも内部導体層７がカバー層１１やセラミック絶縁層５の変形に追従しやすく、これによりデラミネーションの発生をさらに抑えることが可能となる。

上述した積層型電子部品としては、セラミック絶縁体層５の平均厚みが１〜３０μｍ、内部導体層７の平均厚みが０．５〜２０μｍ、積層部９における内部導体層７の積層数が１００層以上、カバー層の厚みが積層部９の積層方向の厚みを１としたときに０．０２以上あるような薄層、高積層の積層型電子部品に好適なものとなる。

次に、本実施形態の積層型電子部品を製造する方法についてコンデンサを例にして説明する。まず、セラミック絶縁体層５の材料として、誘電体粉末を準備し、これに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または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作製する。

次に、ニッケル粉末を主成分とする導体ペーストを調製する。この場合、ニッケル粉末としては、ニッケル粉末中に平均粒径が０．１μｍ以下の微粒のニッケル粉末を含んでいるものを用いることが望ましい。

次に、導体ペーストを用いてセラミックグリーンシートの主面上に矩形状の内部導体パターンの形成されたパターンシートを形成する。このとき焼成後に積層部９となる積層体の端面側に重ねるパターンシートの導体パターンは、積層体の中央部に配置させるパターンシートよりも印刷用スクリーンの製版線幅（メッシュ材の太さ）を厚くしたものを用いる。端面側に重ねるパターンシートの導体パターンを形成する製版線幅は中央部に位置するパターンシートの導体パターンを形成する製版線幅の１．２倍以上であることが望ましい。この場合、製版の線の厚みは両方とも同じであるのがよい。つまり、端面側に重ねるパターンシートの導体パターンの印刷用スクリーンの製版は、開口率が中央部に位置するパターンシートの導体パターンの印刷用スクリーンの製版よりも低いものを用いるのがよい。

こうして、端面側に重ねるパターンシートの導体パターンは積層体の中央部に位置するパターンシートの導体パターンよりも凹凸を有し部分的に薄い領域を有するものとなり、この薄い導体パターンの部分が焼成時に厚みの厚い部分よりも酸化される領域の割合が多くなり、内部導体層７の面内に部分的に内部導体層７を構成する金属の酸化物相１３を形成することができる。

従来のコンデンサにおいても印刷用のスクリーンとしては、同様のスクリーンが用いられてきたが、この場合、製造工程において内部導体層７の表面に極めて薄く金属の酸化物膜が形成される程度であり、内部導体層７を貫通するような金属の酸化物相１３が形成されるようなものではない。

次に、パターンシートを複数層重ねてコア積層体を形成する。この場合、コア積層体は積層方向の中央部に製版線幅の狭い（開口率が高い）スクリーンを用いて導体パターンを形成したパターンシートを置き、コア積層体の上下の端面側には製版線幅の広い（開口率が低い）スクリーンを用いて導体パターンを形成したパターンシートを配置させるようにする。

次に、このコア積層体の上下面に導体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所定の枚数だけ重ね、加圧加熱処理を行って電子部品本体１となる積層体を複数個有する母体積層体を形成する。次に、この母体積層体を切断することにより積層体にする。次に、作製した積層体を所定の条件にて焼成することにより電子部品本体１を作製する。

次に焼成により得られた電子部品本体１の内部導体層７が露出した端面を含む端部に外部電極３を形成して積層型電子部品を完成させる。

こうして得られた積層型電子部品では、内部導体層７のうち、少なくともカバー層１１に接している内部導体層７は、この内部導体層７を構成する金属の酸化物相１３が内部導体層７を厚み方向に貫通するように形成されているものとなる。

以上はコンデンサを例に説明したが、アクチュエータ、インダクタおよびフィルタの場合もそれぞれに適用されるセラミック絶縁体層５用の材料および内部導体層７用の材料に応じて本発明の積層型電子部品を作製することができる。

以下、具体的に積層型のコンデンサを作製して本発明の効果を確認した。まず、セラミック絶縁体層用の材料として以下の誘電体粉末を調製した。誘電体粉末の原料粉末として、チタン酸バリウム粉末、ＭｇＯ粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＭｎＣＯ_３粉末を準備した。これらの各種粉末を、チタン酸バリウム粉末量を１００モルとしたときに、ＭｇＯ粉末を０．５モル、Ｙ_２Ｏ_３粉末を１モル、ＭｎＣＯ_３粉末を０．５モル添加し、さらに、チタン酸バリウム粉末１００質量部に対して、ガラス粉末（ＳｉＯ_２＝５５，ＢａＯ＝２０，ＣａＯ＝１５，Ｌｉ_２Ｏ＝１０（モル％））を１質量部添加して誘電体粉末を調製した。次いで、この誘電体粉末を直径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からなる混合溶媒を添加し湿式混合した。

次に、湿式混合した粉末を、ポリビニルブチラール樹脂を溶解させたトルエンおよびアルコールの混合溶媒中に投入し、直径５ｍｍのジルコニアボールを用いて湿式混合して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が２．５μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

次に、このセラミックグリーンシートの上面に矩形状の導体パターンを形成してパターンシートを形成した。導体パターンを形成するための導体ペーストは、Ｎｉ粉末４５質量％に対して、共材としてチタン酸バリウム粉末を２０重量％と、エチルセルロース５質量％およびオクチルアルコール９５質量％からなる有機ビヒクル３０質量％を３本ロールで混練したものを用いた。Ｎｉ粉末は粒度分布において累積％表示したときに１０〜９０％の範囲にある粒径が０．０５〜０．２μｍであるものを用いた。

このとき積層体の端面側に重ねるパターンシートの導体パターンは製版線幅が約３０μｍのスクリーンを用い、一方、積層体の中央部に配置させるパターンシートの導体パターンは製版線幅が約２０μｍのスクリーンを用いた。製版線幅が約３０μｍのスクリーンの
開口率は約４０％、製版線幅が約２０μｍのスクリーンの開口率は約６０％であった。

次に、作製したパターンシートのうち製版線幅が約２０μｍのスクリーンを用いて形成した導体パターンを有するパターンシートを複数層重ね、次いで、この積層体の上下面に製版線幅が約３０μｍのスクリーンを用いて導体パターンを形成したパターンシートを積層してコア積層体を形成し、さらにこの上下面にそれぞれ導体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重ね、加圧加熱処理を行って電子部品本体となる積層体を複数個有する母体積層体を形成した。この後、この母体積層体を、所定の寸法に切断して積層体を形成した。積層体における内部導体層の積層数は１４７層とした。

次に、作製した積層体を大気中にて脱脂した後、水素−窒素の混合ガス雰囲気にて酸素分圧が１０^−８Ｐａの条件にて１１４０℃で２時間の焼成を行い、電子部品本体を作製した。作製した電子部品本体のサイズは１００５型に相当するものであり、そのサイズはおおよそ、０．９５ｍｍ×０．４８ｍｍ×０．４８ｍｍであった。また、セラミック絶縁体層の平均厚みは２μｍ、積層部の中央に位置する内部導体層の１層の平均厚みは１μｍであった。カバー層側の内部導体層の平均厚みは０．９μｍであった。カバー層の平均厚みは２０μｍであった。なお、作製した電子部品本体から得られる静電容量の設計値（セラミック絶縁体層を挟んで内部導体層が上下で重なっている有効面積の領域に空隙が無い状態で発現する静電容量）は１．１５μＦと見積もった。

次に、作製した電子部品本体に窒素雰囲気中（酸素分圧：１０^−６Ｐａ）、９００〜１０００℃で５時間の熱処理を行った。

次に、作製した電子部品本体にバレル研磨処理を行い、電子部品本体の端面に内部導体層を十分に露出させた。

次に、バレル研磨した電子部品本体の端部に銅ペーストを塗布し、約８００℃、酸素分圧を１Ｐａ、最高温度の保持時間を０．２時間とする条件で加熱して外部電極を形成した。

次に、この外部電極の表面に、順に、電解めっき法によりＮｉメッキ膜およびＳｎメッキ膜を形成して積層型のコンデンサを作製した。

次に、作製した積層型のコンデンサについて以下の評価を行った。

コンデンサの積層部の内部導体層に形成された内部導体層を構成する金属の酸化物相はコンデンサを断面研磨して金属顕微鏡および走査型電子顕微鏡による観察によって確認した。このとき金属の酸化物相中の酸素の有無は走査型電子顕微鏡に付設された波長分散型分析器を用いて同定した。金属の酸化物相は走査型電子顕微鏡観察の写真において黒色化した部分であった。

金属の酸化物相の割合は断面研磨したコンデンサを走査型電子顕微鏡観察により写真に撮り、写真上に写し出された内部導体層に平行な直線を引き、金属の酸化物相が存在する部分の長さの割合を算出した。写真の範囲において、金属の酸化物相を総和した長さを内部導体層の長さで除して求めた。ここでは内部導体層を貫通したものを金属の酸化物相として判定した。なお、製版線幅が約３０μｍのスクリーンを用いて形成した導体パターンから得られた内部導体層には金属の酸化物相が長さの比で１５〜２０％形成されていたが、製版線幅が約２０μｍのスクリーンを用いて形成した導体パターンから得られた内部導体層には金属の酸化物相に相当するものは認められなかった。

静電容量は温度２５℃、周波数１．０ｋＨｚ、測定電圧を１Ｖｒｍｓとして測定し、その平均値を求めた。試料数は３０個とした。

デラミネーションは、焼成後、耐熱衝撃試験後の２つの条件にて行った。耐熱衝撃試験はハンダ槽を３５０℃に加熱したハンダ槽にコンデンサを約１秒間沈める方法を用いた。デラミネーション発生率は試料数３００個から求めた。

また、積層部の内部導体層となる導体パターンの全層を製版線幅が約２０μｍまたは３０μｍのスクリーンを用いてそれぞれ形成したものから上記と同様の製法によりコンデンサを作製した。これを比較例の試料（試料１、５）として同様に評価した。

表１の結果から明らかなように、内部導体層のうちカバー層に接している内部導体層がこの内部導体層を構成する金属の酸化物相を有している試料（試料Ｎｏ．２〜４）は内部導体層に金属の酸化物相を有しない試料（試料Ｎｏ．１）に比較してデラミネーションの発生率が低かった。

金属の酸化物相を有している内部導体層をカバー層側から１０層にわたって設けた試料はデラミネーションの発生率がさらに低かった。

これらの試料はいずれも金属の酸化物相は内部導体層を厚み方向に貫通した状態となっていた。

なお、積層部の全層に製版線幅が約３０μｍのスクリーンを用いて形成した試料（試料Ｎｏ．５）には、デラミネーションは見られなかったが静電容量が大きく低下していた。

１・・・電子部品本体
３・・・外部電極
５・・・セラミック絶縁体層
７・・・内部導体層
９・・・積層部
９ａ・・端面
１１・・カバー層
１３・・金属の酸化物相

Claims

セラミック絶縁体層と内部導体層とが交互に多層に積層された積層部と、該積層部の積層方向の両端面にそれぞれ設けられたセラミック製のカバー層とを有する積層型電子部品において、前記内部導体層のうち前記カバー層に接している前記内部導体層は、面内にわたって厚みの薄い部分と厚みの厚い部分とで構成される凹凸が複数分布し、部分的に薄い領域に、該内部導体層を構成する金属の酸化物相が前記内部導体層を厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする積層型電子部品。
前記金属の酸化物相を有している前記内部導体層は前記カバー層側から複数層にわたって設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電子部品。
前記内部導体層の平均厚みは積層方向の中央部よりもカバー層側に近いほど薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の積層型電子部品。
前記金属の酸化物相を有している前記内部導体層の平均厚みは積層方向の中央部に位置する内部導体層の平均厚みよりも薄くなってい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積層型電子部品。