JP6522549B2 - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサに関し、例えば複数の内部電極と複数の誘電体層とが交互に積層された積層セラミックコンデンサに関する。

積層セラミックコンデンサの耐電圧性能向上のため、内部電極の重なり部分の面積を大きくすることが知られている（特許文献１）。耐電圧を向上させるため、複数の内部電極の辺を積層方向で合致させないことが知られている（特許文献２）。

特開２０００−３０６７６１号公報 特開２００９−２０００９２号公報

特許文献１、２は、積層セラミックコンデンサの耐電圧性能を向上させることを目的としているが、耐電圧は十分でない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高耐圧な積層セラミックコンデンサを提供することを目的とする。

本発明は、複数の内部電極と複数の誘電体層とが交互に積層された積層体と、前記複数の内部電極のうち一部の内部電極と接続された第１外部電極と、第１方向において前記第１外部電極に対し前記積層体の反対側に設けられ、前記複数の内部電極のうち残部の内部電極と接続された第２外部電極と、を備え、前記複数の内部電極と複数の誘電体層の面方向において前記第１方向に交差する第２方向において、前記複数の内部電極の端のうち最も外側に位置する第１端と、前記複数の内部電極の端のうち最も内側に位置する第２端と、の距離をＷ１（ｍｍ）、前記複数の誘電体層の各々の層厚をｔ１（μｍ）、前記複数の誘電体層の積層数をＮとしたとき、ｔ１^２×Ｗ１／Ｎは２０以上であり、前記誘電体層はチタン酸バリウムを含み、前記一部の内部電極と前記残部の内部電極とは交互に設けられており、前記複数の内部電極の前記第２方向における端の位置は、前記積層体の積層方向において１周期より大きい周期で周期的に配置され、前記複数の内部電極の前記第２方向における端の位置は、３水準以上で変化している積層セラミックコンデンサである。

上記構成において、前記端の位置が同じ隣接する複数の一定数の内部電極を１グループとして、グループごとに前記端の位置が異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｗ１は、前記第１端と前記積層体の前記第２方向の端面との距離の８倍未満である構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｗ１は、前記内部電極の前記第２方向の幅の５％未満である構成とすることができる。

本発明によれば、高耐圧な積層セラミックコンデンサを提供することができる。

図１は、実施形態における積層セラミックコンデンサの部分断面斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、１つのコンデンサを示す図である。 図５は、比較形態における積層セラミックコンデンサの断面図である。 図６は、実施形態における積層セラミックコンデンサの断面図である。 図７は、算出したＸ位置に対するストレスを示す図である。 図８は、実施形態の一例を示す積層セラミックコンデンサの断面図である。 図９は、実施例および比較例における各サンプルの各寸法を示す図である。 図１０は、実施例および比較例におけるｔ１^２×Ｗ１／Ｎに対する耐電圧ＢＤＶを示す図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

（実施形態）
まず、積層セラミックコンデンサについて説明する。図１は、実施形態における積層セラミックコンデンサの部分断面斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図１から図３に示すように、積層セラミックコンデンサ１００は、直方体形状を有する積層体１０と、積層体１０のいずれかの対向する両端面に設けられた外部電極２０および３０とを備える。積層体１０は、誘電体として機能するセラミック材料を含む複数の誘電体層１１と、複数の内部電極１２とが、交互に積層された構成を有する。誘電体層１１および内部電極１２の積層方向をＺ方向、外部電極２０および３０が設けられた方向をＹ方向、Ｙ方向とＺ方向に直交する方向をＸ方向とする。

各内部電極１２の端縁は、積層体１０の外部電極２０が設けられた端面と、外部電極３０が設けられた端面とに、交互に露出している。これにより、各内部電極１２は、外部電極２０と外部電極３０とに、交互に導通している。図２および図３において、内部電極１２ａが外部電極２０と電気的に接続され、内部電極１２ｂが外部電極３０に電気的に接続されている。これにより、積層セラミックコンデンサ１００は、複数のセラミックコンデンサが積層された構成を有する。また、積層体１０において、誘電体層１１と内部電極１２との積層方向の両端面は、カバー層１３によって覆われている。例えば、カバー層１３の材料は、誘電体層１１と同じである。図３のように、Ｘ方向において内部電極１２ａおよび１２ｂの端縁の位置が異なっている。

外部電極２０、３０および内部電極１２は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（スズ）、Ａｇ（銀）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）またはＰｔ（白金）等の金属を主成分とする。誘電体層１１は、例えば一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有するセラミック材料を主成分とする。誘電体層１１に含まれるペロブスカイト構造のセラミック材料としては、例えばＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）、ＳｒＴｉＯ_３（チタン酸ストロンチウム）、ＣａＴｉＯ_３（チタン酸カルシウム）、ＭｇＴｉＯ_３（チタン酸マグネシウム）、ＣａＺｒＯ_３（ジルコン酸カルシウム）、ＣａＴｉ_ｘＺｒ_１−ｘＯ_３（チタン酸ジルコン酸カルシウム）、ＢａＺｒＯ_３（ジルコン酸バリウム）、ＰｂＴｉ_ｘＺｒ_１−ｘＯ_３（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）を用いる。誘電体層１１に含まれるセラミック材料はＴｉＯ_２（酸化チタン）でもよい。誘電体層１１は、例えば焼結体であり、マクロには結晶方位に対し等方的である。ペロブスカイト構造を有するセラミック材料は化学量論的な組成から外れていてもよく、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、および希土類元素（Ｙ（イットリウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム））、Ｃｏ（コバルト）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）並びにＳｉ（シリコン）の少なくとも１つの酸化物、またはガラス等が添加されていてもよい。

図２および図３のように、積層体１０のＺ方向の厚さＴ、積層体１０のＹ方向の長さＬ、および積層体１０のＸ方向の幅Ｗとする。誘電体層１１の各々の厚さｔ１とする。内部電極１２のＸ方向の幅Ｗｉとする。Ｘ方向において内部電極１２の端のうち最も外側の端の位置Ｘ１と、最も内側の端の位置Ｘ２と、の距離をずらし量Ｗ１とする。最も外側の内部電極１２の端から積層体１０の端面までの距離をサイドマージンＳＭとする。誘電体層１１の積層数Ｎとする。

発明者らは、積層セラミックコンデンサの耐電圧が低くなる原因として、以下のような電歪効果を考えた。内部電極１２ａと１２ｂとの間に電圧が印加されたとき、電歪効果により積層体１０内に応力が発生し、応力が集中する箇所にクラック等が発生する。このクラック等により、積層セラミックコンデンサが破壊されると考えた。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、１つのセラミックコンデンサを示す図である。図４（ａ）に示すように、厚さｔ１の誘電体層１１の上下に内部電極１２ａおよび１２ｂが設けられている。図４（ｂ）に示すように、内部電極１２ａに内部電極１２ｂに対し正の電圧が印加される。このとき誘電体層１１には積層方向に電界が加わる。このため電歪効果により誘電体層１１は矢印５０のように積層方向に伸びるような変位が生じる。

図５は、比較形態における積層セラミックコンデンサの断面図である。図５に示すように、外部電極２０に接続された内部電極１２ａを点線で示し、外部電極３０に接続された内部電極１２ｂを実線で示す。Ｘ方向における内部電極１２の端の位置がほぼ一致している。誘電体層１１のうち電歪効果により変位が生じる領域は、Ｚ方向に内部電極１２に挟まれた領域４０である。領域４０は、領域４０以外の誘電体層１１と区別するため、ハッチングの方向を誘電体層１１と逆に傾斜させている。積層体１０内において、変位量が急激に変化するところに応力が集中しやすい。よって、矢印４２の内部電極１２の端の箇所に応力が集中し易くなる。

電歪効果による積層された誘電体層１１全体の変位量ΔＤｔは、１層の誘電体層１１の変位量ΔＤに誘電体層１１の積層数Ｎを乗じたものとなる。つまり、ΔＤｔ＝ΔＤ×Ｎとなる。また、１層の誘電体層１１における変位量ΔＤは誘電体層１１内の電界の大きさの２乗に比例する。電界の大きさは誘電体層１１の厚さｔ１に反比例する。つまりΔＤ∝１／（ｔ１）^２である。よって、ΔＤｔ∝Ｎ／（ｔ１）^２である。

図６は、実施形態における積層セラミックコンデンサの断面図である。図６に示すように、Ｘ方向における内部電極１２の端の位置が異なる。この例では、隣接する１層の内部電極１２ａと１層の内部電極１２ｂを１グループとして、内部電極１２の端のＸ方向の位置を０、＋Ｌ、０、および−Ｌと順に３水準変化させている。１周期Ｐには誘電体層１１が８層含まれる。このとき、ずらし量Ｗ１は２Ｌである。

１周期Ｐあたり、位置−２Ｌ、−Ｌ、０、Ｌおよび２Ｌにおいて含まれる誘電体層１１の層数は、それぞれ、０層、１層、５層、８層および０層となる。よって、各位置における全体の変位量ΔＤｔは以下となる。
位置−２Ｌ：０
位置−Ｌ ：（１／８）×Ｎ×ΔＤ
位置 ０ ：（５／８）×Ｎ×ΔＤ
位置 Ｌ ：（８／８）×Ｎ×ΔＤ
位置 ２Ｌ：（０／８）×Ｎ×ΔＤ

ストレスは、位置に対する変位量の傾きに対応する。よって、各位置間におけるストレスは以下となる。
位置−２．５Ｌ：０
位置−１．５Ｌ：（１／８）×Ｎ×ΔＤ／Ｌ
位置−０．５Ｌ：（１／２）×Ｎ×ΔＤ／Ｌ
位置０．５Ｌ ：（３／８）×Ｎ×ΔＤ／Ｌ
位置１．５Ｌ ：０

Ｌ０を一定値として、Ｌを以下の５つの場合について各位値のストレスを計算した。Ｌは、Ｌ＝０．５×Ｌ０、０．７５×Ｌ０、１．０×Ｌ０、１．５×Ｌ０、２．０×Ｌ０の５つの場合である。Ｌ＝０．５×Ｌ０のときの最大ストレスを１として規格化している。

図７は、算出したＸ位置に対するストレスを示す図である。図７に示すように、Ｌを大きくするとストレスの最大値が小さくなる。ストレスの最大値はＸ方向の位置が−０．５Ｌのときであり、Ｌに反比例する。

このようにストレスの最大値は、ＮおよびΔＤに比例しＬ（すなわちＷ１）に反比例する。ΔＤは（ｔ１）^２に反比例するから、ストレスの最大値はＮに比例しＬ（すなわちＷ１）、ｔ１に反比例する。つまり、ストレスの最大値∝Ｎ／［（ｔ１）^２×Ｗ１）］である。積層セラミックコンデンサの耐電圧ＢＤＶはストレスの最大値に反比例すると、耐電圧ＢＤＶは以下となる。
ＢＤＶ∝［（ｔ１）^２×Ｗ１）］／Ｎ （式１）

実際は、ＢＶＤは［（ｔ１）^２×Ｗ１）］／Ｎに厳密には比例しなくとも、［（ｔ１）^２×Ｗ１）］／Ｎが大きくなるとＢＶＤが大きくという相関が成り立つ。積層セラミックコンデンサの小型化、大容量化のためには、ｔ１は小さくＮは大きくすることになる。よって、耐電圧ＢＤＶは低くなる方向となる。そこで、本実施形態ではずらし量Ｗ１を大きくする。これにより、耐電圧ＢＤＶを向上できる。

上記考察に基づけば、電歪効果を有する誘電体層１１であれば、式１または同様の相関が成り立つ。また、内部電極１２をＸ方向にずらすパターンによらず、式１は一般的に成り立つ。

図８は、実施形態の一例を示す積層セラミックコンデンサの断面図である。図８に示すように、隣接する３層の内部電極１２を１グループとして、内部電極１２の端のＸ方向の位置を０、Ｌ、０、および−Ｌと順に変化させている。この例では１周期Ｐには誘電体層１１が１２層含まれる。このように変化させるグループに含まれる誘電体層１１の層数は任意である。

また、位置０のグループ内の内部電極１２を２層とし、位置Ｌおよび−Ｌのグループ内の内部電極１２を３層とすることもできる。このように、１つのグループ内の内部電極１２の層数を変化させることもできる。

さらに、内部電極１２の端のＸ方向の位置を０、Ｌ、２Ｌ、Ｌ、０、−Ｌ、−２Ｌ、および−Ｌのように３水準以外の水準で変化させることもできる。

本実施形態によれば、複数の内部電極１２のうち一部の内部電極１２ａ（第１内部電極）は外部電極２０（第１外部電極）と電気的に接続されている。複数の内部電極１２のうち残部の内部電極１２ｂ（第２内部電極）は外部電極３０と電気的に接続されている。外部電極３０は、Ｙ方向（第１方向）において外部電極２０に対し積層体１０の反対側に設けられている。このような、積層セラミックコンデンサにおいて、ｔ１^２×Ｗ１／Ｎを一定以上とする。ここで、Ｗ１（ｍｍ）は、Ｘ方向（内部電極１２と誘電体層１１の面方向において第１方向と交差する第２方向）において、複数の内部電極１２の端のうち最も外側に位置する第１端と、複数の内部電極１２の端のうち最も内側に位置する第２端と、の距離である。ｔ１（μｍ）は、複数の誘電体層１１の各々の層厚である。Ｎは、複数の誘電体層１１の積層数である。

これにより、電歪効果に起因したストレスを分散し、耐電圧を向上できる。ｔ１^２×Ｗ１／Ｎは、０．１以上が好ましく、０．５以上が好ましく、１以上がより好ましい。ｔ１^２×Ｗ１／Ｎが大きいと、積層体１０のＸ方向の幅が大きくなる。よって、ｔ１^２×Ｗ１／Ｎは２以下が好ましく、１以下がより好ましい。

誘電体層１１の電歪効果が大きいと、ストレスが大きくなり耐電圧が低くなる。よって、ずらし量Ｗ１を大きくすることが好ましい。電歪効果の大きい材料として、チタン酸バリウムを主成分とする焼結体が挙げられる。

複数の内部電極１２のＹ方向における端の位置は周期的に配置されていることが好ましい。これにより、応力をより均一に分散できる。よって、ストレスをより分散することができ、耐電圧をより向上できる。

Ｙ方向における端の位置が同じ隣接する複数の一定数の内部電極１２を１グループとして、グループごとに端の位置が異なることが好ましい。これにより、応力をより均一に分散できる。よって、ストレスをより分散することができ、耐電圧をより向上できる。

動作電圧が高くかつ大型の積層セラミックコンデンサは、電歪効果によるストレスが大きい。よって、動作電圧が１００Ｖ以上、または２００Ｖ以上の積層セラミックコンデンサにおいて、ずらし量Ｗ１を大きくすることが好ましい。また、積層体１０の長さＬおよび幅Ｗが各々１０ｍｍ以上の積層セラミックコンデンサにおいて、ずらし量Ｗ１を大きくすることが好ましい。

実施形態に係る積層セラミックコンデンサを作製した。内部電極１２および外部電極２０および３０はニッケルを主成分とした。誘電体層１１は、チタン酸バリウムを主成分とした。実施例１から実施例９と比較例１および比較例２を作製した。作製したサンプルの耐電圧ＢＤＶを測定した。ＢＤＶの測定は、外部電極２０と３０の間に直流電圧を印加し、昇圧速度を５０秒／１ｋＶとする。サンプルが破壊された電圧を耐電圧ＢＤＶとした。

図９は、実施例および比較例における各サンプルの各寸法を示す図である。図９に示すように、積層体１０の長さＬを１４ｍｍから３４ｍｍとした。積層体１０の幅Ｗを１９ｍｍから５９ｍｍとした。積層体１０の厚さＴを３．３ｍｍから４．６ｍｍとした。内部電極１２の幅Ｗｉを１５ｍｍから５２ｍｍとした。なお、内部電極１２の幅は全ての内部電極１２で同じである。ずらし量Ｗ１を実施例では１．２ｍｍから２．４ｍｍとし、比較例では０．０１ｍｍ以下とした。サイドマージンＳＭを０．３ｍｍから３．５ｍｍとした。誘電体層１１の厚さｔ１を１３．３μｍから６１．３μｍとした。積層数Ｎを６４から２１３とした。

図１０は、実施例および比較例におけるｔ１^２×Ｗ１／Ｎに対する耐電圧ＢＤＶを示す図である。黒丸は実施例の測定結果、白三角は比較例の測定結果を示す。実線は傾向を示す補助線である。図１０に示すように、耐電圧ＢＤＶは、［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎと比例していないものの、非常によい相関が得られている。この結果から、耐電圧ＢＤＶは主に［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎに依存し、他の寸法等にはほとんど依存しない。

比較例では、耐電圧ＢＤＶは約５００Ｖである。補助線を参照すると、［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが０．１程度以上で耐電圧ＢＤＶが比較例より大きくなる。［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが１程度以上で耐電圧ＢＤＶは６００Ｖ程度以上となり、比較例と有意な差となる。［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが５程度以上で耐電圧ＢＤＶは１０００Ｖ程度以上となり、比較例のＢＤＶの２倍以上となる。［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが２０程度以上で耐電圧ＢＤＶは１５００Ｖ程度以上となり、比較例のＢＤＶの３倍以上となる。［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが５０程度以上で耐電圧ＢＤＶは２０００Ｖ程度以上となり、比較例のＢＤＶの４倍以上となる。［（ｔ１）^２×Ｗ１］／Ｎが８０程度以上で耐電圧ＢＤＶは２５００Ｖ程度以上となり、比較例のＢＤＶの５倍以上となる。

図１０をさらに詳しく検討すると、実施例７は補助線より耐電圧ＢＤＶが若干低い。図９のように実施例７では、サイドマージンＳＭを０．３ｍｍと他の実施例より小さくしている。サイドマージンＳＭが小さいと積層体１０の側面付近で、ストレスの分散が均一化できずに耐電圧が低下したと考えられる。実施例８、９では、サイドマージンＳＭが０．８ｍｍでも耐電圧ＢＤＶは補助線とほぼ同程度である。このことから、サイドマージンＳＭは０．３ｍｍより大きいことが好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、０．８ｍｍ以上がさらに好ましい。ずらし量Ｗ１を大きくする観点からずらし量Ｗ１はサイドマージンＳＭ以上であることが好ましい。しかし、実施例７のように、ずらし量Ｗ１をサイドマージンＳＭの８倍とすると耐電圧ＢＤＶが低下する。一方、実施例８、９では、ずらし量Ｗ１がサイドマージンＳＭの１．５倍では耐電圧ＢＤＶは低下していない。よって、ずらし量Ｗ１はサイドマージンＳＭの８倍未満が好ましく、５倍以下がより好ましく、１．５倍以下がさらに好ましい。

さらに、図１０から、実施例１は補助線より耐電圧ＢＤＶが若干高い。図９のように実施例１では内部電極１２の幅Ｗｉが５２ｍｍと他の実施例より大きい。内部電極１２の幅Ｗｉが大きいと、ストレスの分散をより均一化できるためと考えられる。この観点から、内部電極１２の幅Ｗｉは、１０ｍｍ以上が好ましく、３０ｍｍ以上がより好ましく、５０ｍｍ以上がより好ましい。他の実施例のように、ずらし量Ｗ１は内部電極１２の幅Ｗｉの５％から１０％程度で耐電圧ＢＤＶは十分高くなる。実施例１のように、ずらし量Ｗ１は内部電極１２の幅Ｗｉの５％以下が好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 積層体
１１ 誘電体層
１２ 内部電極
１３ カバー層
２０、３０ 外部電極

Claims (4)

1. 複数の内部電極と複数の誘電体層とが交互に積層された積層体と、
   前記複数の内部電極のうち一部の内部電極と接続された第１外部電極と、
   第１方向において前記第１外部電極に対し前記積層体の反対側に設けられ、前記複数の内部電極のうち残部の内部電極と接続された第２外部電極と、
   を備え、
   前記複数の内部電極と複数の誘電体層の面方向において前記第１方向に交差する第２方向において、前記複数の内部電極の端のうち最も外側に位置する第１端と、前記複数の内部電極の端のうち最も内側に位置する第２端と、の距離をＷ１（ｍｍ）、前記複数の誘電体層の各々の層厚をｔ１（μｍ）、前記複数の誘電体層の積層数をＮとしたとき、
   ｔ１^２×Ｗ１／Ｎは２０以上であり、
   前記誘電体層はチタン酸バリウムを含み、
   前記一部の内部電極と前記残部の内部電極とは交互に設けられており、
   前記複数の内部電極の前記第２方向における端の位置は、前記積層体の積層方向において１周期より大きい周期で周期的に配置され、
   前記複数の内部電極の前記第２方向における端の位置は、３水準以上で変化している積層セラミックコンデンサ。
2. 前記端の位置が同じ隣接する複数の一定数の内部電極を１グループとして、グループごとに前記端の位置が異なる請求項１記載の積層セラミックコンデンサ。
3. 前記Ｗ１は、前記第１端と前記積層体の前記第２方向の端面との距離の８倍未満である請求項１または２記載の積層セラミックコンデンサ。
4. 前記Ｗ１は、前記内部電極の前記第２方向の幅の５％未満である請求項１から３のいずれか一項記載の積層セラミックコンデンサ。
   

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