JP6217599B2 - チタン酸バリウム系粉末の製造方法 - Google Patents
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Description
このような構造とすることにより、小型で大きな容量を得ることができることから、近年のモバイル機器等の需要増加に伴って、種々の用途に広く用いられている。
そこで、二酸化チタン粉末の表面塩素量を120ppm以下に調整することによって異常成長を抑制するとしている。
通常、バリウム化合物としてはBaCO3が、チタン化合物としてはTiO2が用いられる。
本発明者らは、湿式混合工程を含むチタン酸バリウム系粉末の製造工程において、以下の事象が生じることを見出した。
スラリーを作製すると、バリウム化合物であるBaCO3は水中に微量溶出し、Ba2+イオンが生成される。そして、スラリー中にBa2+イオンが存在していると、スラリーを乾燥する際に、Ba2+イオンは空気中のCO2と反応して、BaCO3として乾燥粉末中に再析出する。再析出したBaCO3はそれを核として異常成長を起こし、粒子径のばらつきを大きくする原因になり、またチタン酸バリウムを低結晶化させる。
すなわち、本発明者らは、BaCO3の再析出が、チタン酸バリウム系粉末の粒子径のばらつき及びチタン酸バリウムの低結晶化に繋がり、ひいては積層セラミックコンデンサとした場合の信頼性の低下につながることを見出した。
また、特許文献1に記載された発明では、最終的に塩素が仮焼原料に残存するので、積層セラミックコンデンサにしたときの信頼性が低下するおそれがあった。
チタン化合物とバリウム化合物を水とともに混合してスラリーを作製する混合工程と、
上記混合工程で得られたスラリーに含まれる、チタン化合物とバリウム化合物の混合物を仮焼してチタン酸バリウム系粉末を得る仮焼工程とを備えるチタン酸バリウム系粉末の製造方法であって、
上記混合工程において作製する上記スラリー中に、合成されるべきチタン酸バリウム系粉末量に対し230〜1100wtppmの割合で塩素を塩素イオンとして含むことを特徴とする。
上述したように、バリウム化合物と水を含むスラリーを混合すると、スラリー中にBa2+イオンが微量溶出すると考えられるが、塩素イオンが含まれていると塩素イオンは微量溶出したBa2+イオンと反応してBaCl2となる。スラリー中には微量溶出したBa2+イオンと反応するために充分な量の塩素イオンが存在しているので、微量溶出したBa2+イオンは塩素イオンと反応してBaCl2となると考えられる。
そして、スラリーを乾燥するとBaCl2として乾燥粉末中に析出する。
BaCl2はチタン化合物とバリウム化合物のチタン酸バリウムへの反応を促進するとともに焼結助剤として働くので、仮焼温度を低温化させることができ、高結晶化した微細なチタン酸バリウム系粉末を得ることができる。
また、スラリーを乾燥する際には空気中のCO2と反応することのできるBa2+イオンは残っていないと考えられるため、スラリーを乾燥してもBaCO3が再析出することはなく、異常成長が生じることは防止される。
内部塩素はスラリーにしてもイオン化せず、イオン化するのは表面塩素のみであると考えられるため、特許文献1に記載の発明ではスラリー中の塩素イオン濃度は120ppm以下(合成されるべきチタン酸バリウム系粉末量に対する濃度に換算すると約40ppm以下)であると考えられる。
すなわち、特許文献1に記載の発明ではスラリー中の塩素イオン濃度が低すぎるためにBa2+イオンが微量溶出したときに塩素イオンの量が不足し、塩素イオンと反応せずにBa2+イオンが残るものと考えられる。そしてスラリーを乾燥する際に、Ba2+イオンは空気中のCO2と反応して、BaCO3として乾燥粉末中に再析出すると考えられる。
また、特許文献1に記載の発明では、焼結助剤として機能するBaCl2の析出量も少ないので、仮焼温度の低温化による高結晶化の効果も得られないと考えられる。
塩素を塩化アンモニウムとして添加すると、Ba2+イオンがCO2と反応してBaCO3として析出することを抑制し、塩素イオンと結合してBaCl2を生成する。
また、上記塩素除去工程において、上記仮焼工程で得られたチタン酸バリウム系粉末を分散させたスラリーをイオン交換樹脂に通過させることが好ましい。
仮焼後のチタン酸バリウム系粉末に残存した塩素を除去するための方法として、イオン交換樹脂を通過させる方法を用いると、チタン酸バリウム系粉末に残存した塩素を選択的に除去することができる。
本発明のチタン酸バリウム系粉末の製造方法により得られたチタン酸バリウム系粉末は、高結晶化した微細なチタン酸バリウム系粉末であるので、これを用いて製造された積層セラミックコンデンサは、高温負荷試験での寿命特性に優れた、信頼性の高い積層セラミックコンデンサとなる。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
(1)混合工程
まず、チタン化合物とバリウム化合物を水とともに混合してスラリーを作製する混合工程を行う。
チタン化合物としては、二酸化チタンを用いることができる。
二酸化チタンとしては塩素法で製造された二酸化チタンであっても、硫酸法で製造された二酸化チタンであってもよい。塩素法で製造された二酸化チタンを使用する場合、二酸化チタン粒子の表面には表面塩素が存在していることが考えられるため、表面塩素量を測定しておき、後に加える塩素イオン源の量を調整するようにすることが好ましい。
表面塩素量の測定は、二酸化チタン粉末を純水中に投入し、撹拌、超音波分散の後、遠心分離して上澄液を回収し、上澄液を希釈後、0.2μmのフィルタで濾過し、イオンクロマトグラフィーにより定量することにより行なうことができる。
また、二酸化チタン粒子の表面塩素量と内部塩素量の合計の塩素量は、試料1000mgを1400℃水蒸気蒸留し、分解物を超純水50mlに捕集し、イオンクロマトグラフィーにより定量することにより測定することができる。
表面塩素量又は表面塩素量と内部塩素量の合計の塩素量を測定するためのイオンクロマトグラフィーの測定条件としては、カラムとしてDionex AS17−C、溶離液として5−40mMのKOHを使用し、流速1ml/minにて測定する条件を挙げることができる。イオンクロマトグラフィー装置としては日本ダイオネクス社製 DXi−500を用いることができる。
また、チタン化合物として二酸化チタン粒子を使用する場合、二酸化チタン粒子の比表面積は30〜50m2/gであることが好ましい。
また、バリウム化合物として炭酸バリウム粒子を使用する場合、炭酸バリウム粒子の比表面積は10〜30m2/gであることが好ましい。
また、バリウム化合物とチタン化合物の比は、本願発明の効果を奏する範囲であれば化学量論組成である必要はないが、モル比(Ba/Ti)が0.980〜1.020の範囲になるように定めることが好ましい。
塩素イオン量を調整するためには、塩素源となる化合物を添加することが好ましく、塩素源として塩化アンモニウムを添加することが好ましい。
上述したように二酸化チタンの表面塩素量を測定した場合には、二酸化チタンの表面塩素がスラリー中で全てイオン化していると仮定して塩素源となる化合物の添加量を定めることが好ましい。
その他の成分としては、Sr源、Ca源又はZr源となる化合物を添加してもよい。
これらの化合物を添加した場合、一般式ABO3(AサイトはBaであって、BサイトはTiであって、Oは酸素)で表されるペロブスカイト型化合物のAサイトがSr又はCaで置換され、BサイトをZrで置換したチタン酸バリウム系粉末が得られる。
分散剤としてはポリカルボン酸型高分子分散剤、ポリカルボン酸アンモニウム塩、無水マレイン酸系くし型高分子等を用いることができる。
混合工程におけるチタン化合物、バリウム化合物、水、塩素源となる化合物及びその他の成分の混合順序は特に限定されるものではない。
混合工程で得られたスラリーを、乾燥機中で乾燥し、続けて、乾燥した混合物を焼成炉で焼成してチタン酸バリウム系粉末を得ることができる。
乾燥工程は100〜200℃、12〜36時間で行うことが好ましい。
また、仮焼工程は800〜1100℃、1〜5時間で行うことが好ましく、焼成条件は大気中とすることが好ましい。
(3)塩素除去工程
塩素除去工程では、仮焼工程で得られたチタン酸バリウム系粉末の表面に付着した塩素を除去する。
塩素除去の方法は特に限定されるものではないが、イオン交換樹脂を使用して塩素除去を行うことが好ましい。イオン交換樹脂を用いる方法の他には、水洗浄を用いる方法が挙げられる。
イオン交換樹脂としては、塩素イオンの除去に使用される公知の陰イオン交換樹脂を使用することができ、アミノ基やイミノ基を有する陰イオン交換樹脂(例えば、三菱化学社製ダイヤイオン(登録商標)SA10A−OH形)を用いることができる。
図1は、イオン交換樹脂を用いた塩素除去工程の一例を模式的に示す図である。
イオン交換樹脂を用いた塩素除去工程では、図1に示すようにプラスチック製の筒30にイオン交換樹脂40を充填し、筒30の先端をろ布50で覆った塩素除去装置20を使用することができる。
塩素除去工程では、チタン酸バリウム系粉末を水(好ましくは純水)と混合して分散させたスラリー70を調製し、塩素除去装置20にスラリー70を投入する。そして、イオン交換樹脂40を通過させて塩素イオンをイオン交換して除去し、ろ布50から塩素除去後のスラリー80を排出して受け台60上に回収する。
その後、スラリーを乾燥させて、塩素含有量を100wtppm以下に低減させたチタン酸バリウム系粉末が得られる。
塩素除去工程を行った後のチタン酸バリウム系粉末の塩素含有量は、イオンクロマトグラフィーによって測定することができる。当該塩素含有量の測定方法は、塩素除去工程を行う前のチタン酸バリウム系粉末に対しても適用することができる。
本発明のチタン酸バリウム系粉末の製造方法により得られたチタン酸バリウム系粉末は、積層セラミックコンデンサの原料粉末として適している。
本発明の積層セラミックコンデンサは、本発明のチタン酸バリウム系粉末の製造方法により得られたチタン酸バリウム系粉末を用いて製造された積層セラミックコンデンサである。
積層セラミックコンデンサ1においては、誘電体セラミック層11と内部電極層12が複数枚積層されて積層体10が形成されている。
内部電極層12は、積層体10の対向する両端面14a、14bにおいて、交互に積層体10の表面に露出している。
そして、積層体10の両端面14a、14bには、内部電極層12を電気的に接続するように一対の外部電極13a、13bが形成されている。
誘電体セラミック層11内に含まれてもよい副成分としては、Mg、Dy、Si、Mn等の元素が挙げられる。副成分の存在形態は問われるものではなく、例えば、副成分がチタン酸バリウム系粒子の結晶粒子に存在していてもよい。具体的には、チタン酸バリウム系粒子からなるコア部と、コア部であるチタン酸バリウム系粒子の周囲に副成分としての元素が固溶して形成されてなるシェル部とからなる粒子であることがより好ましい。
また、副成分は酸化物等の形態で結晶粒界や三重点に存在してもよい。
具体的には、銅を含む導電性ペーストを焼き付けて形成される厚膜と、その上に形成されるニッケルめっき膜と、その上に形成される錫めっき膜とから構成されるものが挙げられ、公知の構成の電極を使用することができる。
まず、本発明のチタン酸バリウム系粉末の製造方法により得られたチタン酸バリウム系粉末を準備する。
なお、副成分となる化合物の形態は特に限定されることはなく、酸化物粉末、炭酸塩粉末、塩化物粉末、ゾルや金属有機化合物など種々の形態のものを用いることができる。
副成分となる化合物の混合形態は特に限定されるものではない。例えば、複数の副成分が予め混合されていてもよいし、さらに熱処理合成されていても構わない。また、特定の副成分を、二段階以上に分けて混合してもよい。
最後に、積層体の両端面に外部電極を形成することにより積層セラミックコンデンサを製造することができる。
これらの各工程においては公知の技術及び工程条件を使用することができる。
なお、セラミックグリーンシートの積層後の焼成条件は、1150〜1250℃で、酸素分圧10−9〜10−12MPaのH2−N2−H2Oガスからなる還元性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、外部電極の形成方法としては、セラミックグリーンシートの焼成前に外部電極となる導電性ペースト層を塗布形成しておき、積層体の焼成時に合わせて導電性ペースト層を焼き付ける方法も挙げられる。
A)チタン酸バリウム系粉末の製造
BaCO3粉末と、比表面積が30m2/gのTiO2粉末とを準備し、モル比(Ba/Ti)が1.0となるように秤量し、これを1Lの塩化ビニル製のポットに、部分安定化ジルコニア(partially stabilized zirconia)製のメディア(2mmφ)とともに入れ、所定量の純水を加え、さらに分散剤として特殊ポリカルボン酸型高分子界面活性剤をBaCO3、TiO2粉末の合計に対して3.2wt%の割合で加えた。
これを8本準備し、それぞれのポットに所定量の塩化アンモニウム(NH4Cl)を添加し、スラリー中の塩素量が合成されるべきチタン酸バリウムに対して、40、70、230、410、600、850、1100、2000wtppmになるように調整したスラリーを得た。
表1には、各実施例及び比較例におけるスラリー中の塩素イオン含有量を示した。
これらのポットをポット架に載せ、150rpmで72時間回転させて、混合した。得られたスラリーを100℃の乾燥機に入れて乾燥させた。
次に、乾燥した混合物をジルコニア質のさやに入れ、焼成炉で昇温速度5℃/分で950〜1000℃の温度に昇温し、大気中1時間保持して仮焼してチタン酸バリウム系粉末を製造した。
なお、使用したTiO2粉末の表面塩素量をイオンクロマトグラフィーを用いて測定したところ、合成されるべきチタン酸バリウムに対して35ppmであった。そのため、塩化アンモニウムの添加量はこの表面塩素量を考慮して所定の塩素イオン含有量になるように加えた。
各実施例及び比較例において仮焼して得られたチタン酸バリウム系粉末について、株式会社マウンテック製比表面積測定装置Macsorb(登録商標)を用いて、比表面積を測定した。また、X線回折装置(パナリティカル(PANalytical)社製X’Pert PRO MPD)を用いて、(222)面の回折ピークの積分幅を測定した(X線源CuKα)。結果を表1に示した。表1には、1000〜1060℃で仮焼し、比表面積が約3.3m2/gとなった条件(仮焼温度)での積分幅を示した。
また、図3にはスラリー中の塩素イオン含有量とチタン酸バリウム系粉末の(222)面回折ピークの積分幅の関係を図示した。
また、比較例3ではスラリー中の塩素イオンの含有量が2000wtppmと多く、不純物としての塩素が多くなり過ぎて、逆に結晶性が低下した。そのため積分幅は0.269°となった。
これに対し、実施例1〜5では、スラリー中の塩素イオンの含有量が好ましい範囲にあるため、積分幅は0.25°以下となり、結晶性の高いチタン酸バリウム系粉末を得ることができた。
仮焼中900℃前後で、バリウム化合物に起因するBa2+イオンと、スラリー中に存在する塩素イオンが反応してBaCl2になり、それが液相となり反応促進剤及び焼結助剤として作用し、BaTiO3の粒成長を促進して高結晶化させることが要因であると考えられる。
なお、仮焼中に一部の塩素はガスとして廃棄されるため、実施例1〜5で製造したチタン酸バリウム系粉末に含まれる塩素量は約150〜600wtppmになる。
実施例1〜5及び比較例1〜3のいずれかで作製したチタン酸バリウム系粉末を1Lの塩化ビニル製のポットに、部分安定化ジルコニア(partially stabilized zirconia)製のメディア(2mmφ)とともに入れ、所定量の純水を加え、これらのポットをポット架に載せ、150rpmで24時間回転させて混合し、スラリーを得た。
次に、図1に示したような塩素除去装置20を準備した。
すなわち、プラスチック製の筒30一端にイオン交換樹脂40(三菱化学社製ダイヤイオン(登録商標)SA10A−OH形)を30mmの厚みになるように詰め、さらにろ布50で覆い固定した。
もう一端からスラリー70を注入し、イオン交換樹脂40を通過させ、通過したスラリー80を回収した。
回収したスラリーを100℃の乾燥機に入れて乾燥させ、塩素除去工程を経たチタン酸バリウム系粉末を得た。
また、イオン交換樹脂を通過させないで、ポットから排出し、同じように乾燥させたチタン酸バリウム系粉末も作製した。
各実施例及び比較例における、塩素除去工程を経たチタン酸バリウム系粉末と、塩素除去工程を経ていないチタン酸バリウム系粉末の塩素含有量をイオンクロマトグラフィー法で測定した。測定結果を表2に示した。
そして、イオン交換樹脂を通過させることで、チタン酸バリウム系粉末に含まれる塩素量は低減する。
比較例3では、塩素除去工程なしのチタン酸バリウム系粉末に含まれる塩素量が非常に多いため、塩素除去工程を経ても塩素含有量が100wtppmを超えて大きいままとなっていた。
各実施例及び比較例で製造したチタン酸バリウム系粉末(塩素除去工程有り又はなし)に対して、添加物として所定量のMgO、Dy2O3、SiO2、MnCO3、BaCO3を添加し、さらに有機バインダーとしてポリビニルブチラール樹脂、有機溶剤としてエタノール、部分安定化ジルコニア(partially stabilized zirconia)製のメディア(2mmφ)とともに塩化ビニル製のポットに投入し、混合、粉砕し、スラリー化した。
このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、シート厚みが焼成後に0.8μmとなるようにシート成形し、これを所定の大きさに打ち抜き、矩形状のグリーンシートを得た。
次に、上記グリーンシート上に、ニッケル粉末を導電成分とする導電ペーストをスクリーン印刷し、焼成後に内部電極層となる導電ペースト層(内部電極パターン)を形成した。
そして、内部電極パターンが形成されたグリーンシートを、積層し、さらに、上下両面側に、内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを外層として積層し、圧着することにより、積層ブロックを作製した。この積層ブロックを所定の寸法となるようにカットして得た未焼成の積層体を、大気中で熱処理(350℃、3時間)して脱バインダーした後、10−10MPaのH2−N2−H2Oガスからなる還元性雰囲気中において、1200℃で2時間焼成し、焼成済みの積層体(セラミック積層体)を得た。
焼成済みの積層体の両端面に、外部電極形成用の導電ペーストを塗布して焼き付けし、さらにNi、Snを電解めっきすることにより、内部電極と電気的に接続された外部電極を形成した。
このようにして図2に示したような積層セラミックコンデンサを作製した。作製した積層セラミックコンデンサは長さ(L):1.6mm、幅(W):0.8mm、厚み(T):0.8mmのサイズであり、素子厚み(誘電体セラミック層の厚み)は1.5μm、誘電体セラミック層の積層数は320層である。
(1)高加速寿命試験(HALT:Highly Accelerated Life Test)
各実施例及び比較例で製造した積層セラミックコンデンサ各100個について、周囲温度150℃で、16Vの直流電圧を印加し、HALT試験を行った。
絶縁抵抗が105Ω以下になった時点を故障とし、ワイブル解析することで平均故障時間(MTTF)を算出した。結果を表3に示した。
次に、同じように各実施例及び比較例で製造した積層セラミックコンデンサ各100個について、周囲温度85℃、相対湿度85%RHで、37.5Vの直流電圧を印加して耐湿負荷寿命試験を実施した。1000時間の試験後ショートしている試料を故障とし、故障率を求めた。結果を表4に示した。
実施例1〜5で製造したチタン酸バリウム系粉末は、表1に示すように、(222)面回折ピークの積分幅が0.25°以下、すなわち結晶性の高いチタン酸バリウム系粉末である。結晶性の高いチタン酸バリウム系粉末であると焼成したときの粒成長が抑制され、結晶粒子の粗大化が抑制されるものと考えられる。
そして、結晶性の高いチタン酸バリウム系粉末を使用したことが、HALT試験でのMTTFが20時間以上という良好な信頼性に繋がっているものと考えられる。
さらに、表4に示すように、塩素除去工程を行い、塩素含有量を100wtppm以下とすることで、耐湿負荷寿命試験での信頼性も向上させることができた。
また、混合工程において、スラリー中に2000wtppmの塩素イオンを含む比較例3では、不純物としての塩素が多すぎ、塩素が溶解してMTTFが小さくなる傾向が見られた。
また、(222)面回折ピークの積分幅が0.269°と0.25°を超え、結晶性の低いチタン酸バリウム系粉末しか得ることができなかった。さらに、塩素除去工程を行っても、塩素含有量が100wtppm以下とならず、耐湿負荷寿命試験において故障が発生した。
10 積層体
11 誘電体セラミック層
12 内部電極層
13a、13b 外部電極
14a、14b 積層体の端面
20 塩素除去装置
30 筒
40 イオン交換樹脂
50 ろ布
60 受け台
70 塩素除去前のスラリー
80 塩素除去後のスラリー
Claims (3)
- チタン化合物とバリウム化合物と塩化アンモニウムを水とともに混合してスラリーを作製する混合工程と、
前記混合工程で得られたスラリーに含まれる、チタン化合物とバリウム化合物の混合物を仮焼してチタン酸バリウム系粉末を得る仮焼工程とを備えるチタン酸バリウム系粉末の製造方法であって、
前記混合工程において作製する前記スラリー中に、合成されるべきチタン酸バリウム系粉末量に対し230〜1100wtppmの割合で塩素を塩素イオンとして含み、
前記塩素は、前記混合工程において塩化アンモニウムとして添加される塩素を含むことを特徴とするチタン酸バリウム系粉末の製造方法。 - 前記仮焼工程で得られたチタン酸バリウム系粉末に含まれる塩素を除去し、チタン酸バリウム系粉末に含まれる塩素含有量を100wtppm以下とする塩素除去工程をさらに備える、請求項1に記載のチタン酸バリウム系粉末の製造方法。
- 前記塩素除去工程において、前記仮焼工程で得られたチタン酸バリウム系粉末を分散させたスラリーをイオン交換樹脂に通過させる請求項2に記載のチタン酸バリウム系粉末の製造方法。
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