JP6535733B2 - 誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品 - Google Patents

誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品 Download PDF

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Description

本発明は、誘電体組成物およびこれを用いた誘電体素子、電子部品および積層電子部品に係り、さらに詳しくは、比較的に定格電圧が高い中高圧用途に好適に用いられる誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品に関する。
近年、電子回路の高密度化に伴う誘電体素子の小型化に対する要求は高く、積層セラミックコンデンサ等の電子部品の小型・大容量化が急速に進むとともに、その用途も拡大している。それに伴い、様々な特性が要求されるようになっている。
例えば、エンジンエレクトリックコンピュータモジュール(ECM)、燃料噴射装置、電子制御スロットル、インバータ、コンバータ、ハイインテンシティーディスチャージ(HID)ヘッドランプユニット、ハイブリッドエンジンのバッテリコントロールユニット、デジタルスチールカメラ等の機器に用いられる中高圧コンデンサは、高い昇圧回路中で使用されるため、定格電圧が100Vを超えるものも多い。すなわち、このような中高圧コンデンサにおいては、高いDCバイアス印加時に高い比誘電率および高い静電容量を有することが要求される。
しかしながら、従来の誘電体組成物は、例えば1V/μm程度の低いDCバイアス印加時に使用されることを前提に設計されている。したがって、従来の誘電体組成物からなる誘電体層を有する電子部品を高いDCバイアス印加時に使用すると、比誘電率および静電容量が低下するという問題がある。この問題は、DCバイアスが高くなればなるほど、比誘電率および静電容量は低下する傾向があるため、特に薄層化の進んだ積層セラミックコンデンサにおいて顕著である。
このような課題を解決するべく、下記の特許文献1では、アルカリ金属酸化物の含有量が0.02重量%以下のチタン酸バリウムと、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウムおよび酸化イッテルビウムの中から選ばれる少なくとも1種と、ジルコン酸バリウムと、酸化マグネシウムと、酸化マンガンとからなり、かつ、次の組成式、{BaO}TiO+αR+βBaZrO+γMgO+gMnO(ただし、RはEu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、TmおよびYbの中から選ばれる少なくとも1種であり、α、β、γおよびgはモル比を表し、0.001≦α≦0.06、0.005≦β≦0.06、0.001<γ≦0.12、0.001<g≦0.12、γ+g≦0.13、1.000<m≦1.035の範囲内にある。)で表される主成分を含有するとともに、副成分として酸化珪素を、前記主成分100モルに対して、SiOに換算して0.2〜5.0モル含有していることを特徴とする誘電体組成物が開示されている。
しかしながら、特許文献1に示すような誘電体組成物は、5V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が比較的大きいものの、中高圧コンデンサの小型・大容量化に伴う薄層化に対応するには、例えば8V/μm程度のより高いDCバイアス印加時においても高い比誘電率を有する誘電体組成物が望まれていた。
さらに、8V/μm程度のDCバイアスが印加される環境下では、十分に大きな(例えば14V/μm以上の)耐電界が求められる。
特許第3334607号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、比較的に定格電圧が高い中高圧用途に好適に用いられ、少なくとも8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が800以上の比較的高い比誘電率を有し、かつ14V/μm以上の耐電界を有する誘電体組成物と、その誘電体組成物を用いた誘電体素子、電子部品および積層電子部品を提供することである。
なお、本発明において、誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品に印加される直流電界をDC(直流)バイアスと呼ぶ。また、DCバイアスの印加により、誘電体組成物等の比誘電率および静電容量が変化する特性をDCバイアス特性と呼ぶ。また、絶縁破壊が生じる電界を耐電界と呼ぶ。
上記目的を達成するため、本発明に係る誘電体組成物は、
(BiNaSrLn)TiOで表される主成分を有する誘電体組成物であって、
Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、HoおよびYbの中から選択される少なくとも1種であり、
a、b、cおよびdは、それぞれ、0<a<0.50、0<b<0.50、0<c≦0.80、0<d≦0.20および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たすことを特徴とする。
なお、a、b、cおよびdは、Ti原子数を1とした場合のBi、Na、Sr、Lnの各原子数の比を表す。
本発明の誘電体組成物は、上記構成を有することにより、少なくとも8V/μmのDCバイアス印加時において、800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界が得られる。
好ましくは、a、b、c、dは、それぞれ、0.05<a≦0.40、0.05<b≦0.40、0<c≦0.70、0<d≦0.10および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たす。
本発明に係る誘電体素子は、上記誘電体組成物を備える。
本発明に係る電子部品は、上記誘電体組成物からなる誘電体層を備える。
本発明に係る積層電子部品は、上記誘電体組成物からなる誘電体層と内部電極層とを交互に積層されてなる積層部分を有する。
本発明に係る誘電体素子、電子部品および積層電子部品は、比較的に定格電圧が高い中高圧コンデンサなどに好適に用いられる。本発明によれば、少なくとも8V/μmのDCバイアス印加時において、800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界を有する誘電体組成物と、その誘電体組成物を用いた誘電体素子、電子部品および積層電子部品を提供することができる。
上記誘電体組成物を備える誘電体素子、電子部品および積層電子部品の用途は特に限定されないが、高いDCバイアス印加時に高い比誘電率を必要とする回路保護用のスナバコンデンサ、平滑コンデンサなどに有用である。
さらに、本発明に係る誘電体組成物は鉛を含有せずとも優れた特性を有する。これにより、本発明に係る誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品は環境面においても優れている。
本発明の一実施形態に係るセラミックコンデンサの概略図である。 本発明の別の実施形態に係る積層セラミックコンデンサの断面図である。 本発明の実施例に係るDCバイアス特性グラフおよび従来のBaTiO系誘電体組成物のDCバイアス特性グラフの概略を同時に記載したグラフである。
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図面において、同一または同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る単層型のセラミックコンデンサ100は、円板状の誘電体1と一対の電極2,3とを有する。誘電体1の両面に電極2,3を形成することで単層型のセラミックコンデンサ100が得られる。誘電体1および電極2,3の形状に特に制限はない。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよい。
誘電体1は、一般式(BiNaSrLn)TiOで表される主成分を有する誘電体組成物で形成される。
上記一般式中でLnは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、HoおよびYbの中から選択される少なくとも1種である。さらに、Lnは、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、およびYbの中から選択される少なくとも1種であることがより好ましい。中でも、耐電界をより高める上で、La、GdおよびYbの中から選択される少なくとも1種であることが特に好ましい。
上記一般式中でaは、0<a<0.50を満たす。aが、0または0.50以上の場合には、誘電体組成物の8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が低下するか、耐電界が低くなり絶縁破壊を起こす可能性がある。
また、aは、0.05<a≦0.40を満たすことが好ましく、さらには0.10<a≦0.40を満たすことがより好ましい。このような範囲にaを制御することにより、誘電体組成物の比誘電率や耐電界を効率よく高めていくことができる。また、このような範囲は原材料のコストをさらに低減する観点からも有効である。
上記一般式中でbは、0<b<0.50を満たす。bが、0または0.50以上の場合には、誘電体組成物の8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が低下するか、耐電界が低くなり絶縁破壊を起こす可能性がある。
また、bは、0.05<b≦0.40を満たすことが好ましく、さらには0.10<a≦0.40を満たすことがより好ましい。このような範囲にbを制御することにより、誘電体組成物の比誘電率や耐電界を効率よく高めていくことができる。
上記一般式中でcは、0<c≦0.80を満たす。cが、0または0.80を超える場合には、誘電体組成物の8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が低下するか、耐電界が低くなり絶縁破壊を起こす可能性がある。
また、cは、さらに0<c≦0.70を満たすことが好ましい。このような範囲にcを制御することにより、誘電体組成物の比誘電率や耐電界を効率よく高めていくことができる。
上記一般式中でdは、0<d≦0.20を満たす。dが、0または0.20を超える場合には、誘電体組成物の8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が低下するか、耐電界が低くなり絶縁破壊を起こす可能性がある。
また、dは、さらに0<d≦0.10を満たすことが好ましい。このような範囲にdを制御することにより、誘電体組成物の比誘電率や耐電界を効率よく高めていくことができる。また、このような範囲は原材料のコストをさらに低減する観点からも有効である。
さらに、上記一般式中でa、b、cおよびdは、0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たす。a+b+c+dが、0.90未満または1.05を超える場合には、十分な焼結密度が得られず、絶縁抵抗が低くなるため、高いDCデバイスを印加して使用することが困難になる。すなわち、このような場合には、耐電界が低くなり過ぎて、絶縁破壊を起こす可能性がある。
すなわち、本実施形態に係る誘電体組成物によれば、8V/μmのDCバイアス印加時において、800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界を得ることができる。
本実施形態に係る誘電体は強誘電体組成物の組み合わせであり、この特定の組み合わせを有することにより8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界を得ることができる。
誘電体組成物として実用に十分な比誘電率が得られる等の観点から、上記一般式で表される主成分の含有量は、誘電体組成物全体を基準として、90重量%以上であることが好ましい。また、主成分の他に、副成分として、Zn、Mn、Co、Ni、Al、Siから選択される元素の酸化物を1種以上含有してもよい。さらに、作製プロセス上混入する可能性があるP、Zrなどの不純物を含有してもよい。
誘電体組成物の組成は、例えば、蛍光X線分析や誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析で測定することができる。
上記誘電体組成物の相対密度は、理論密度を100%とした場合に95%以上であることが好ましい。ここで、本明細書において、相対密度とは、理論密度に対する密度の実測値の割合をいう。なお、誘電体組成物の理論密度は、例えば、X線回折によって求めた格子定数と、完全結晶を仮定して求めた量論比により計算することができる。誘電体組成物の密度の実測値は、例えば、アルキメデス法によって測定することができる。誘電体組成物の相対密度は、焼成温度や焼成時間などを変えることによって調整することができる。
次に、図1に示すセラミックコンデンサの製造方法の一例について以下に説明する。
まず、誘電体1の出発原料として、酸化ビスマス(Bi)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸ストロンチウム(SrCO)、水酸化ランタン(La(OH))、酸化セリウム(Ce)、酸化ネオジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化ジスプロシウム(Dy)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化チタン(TiO)等の粉末を準備する。
そして、本焼成後の誘電体組成物(焼結体)が、本実施形態に係る誘電体組成物の組成を満たすものとなるように、上記粉末原料を秤量する。
次に、秤量した各原料粉末を、ボールミル等により湿式混合する。そして、湿式混合により得られた混合物を仮焼することにより仮焼物を得る。ここで、仮焼は、通常空気中で施される。また、仮焼温度は700〜900℃であることが好ましく、仮焼時間は1〜10時間が好ましい。
得られた仮焼物を、ボールミル等で湿式粉砕した後、これを乾燥させることにより、仮焼物粉体を得る。次いで、得られた仮焼物粉体に結合剤を添加し、プレス成形することにより、成形体を得る。結合剤は本技術分野で一般的に用いられるものであれば特に制限なく使用できる。結合剤の具体例として、ポリビニルアルコール(PVA)などが挙げられる。結合剤の添加量についても特に制限はないが、前記仮焼物紛体を100重量%とした場合に1〜5重量%添加することが好ましい。さらに、プレス成形時の成形圧力は5×10MPa程度であることが好ましい。成形体の形状に特に制限はない。本実施形態においては、円板状としたが、直方体など他の形状とすることもできる。
そして、得られた成形体を焼成することにより誘電体1を得る。ここで、焼成は、通常、空気中で施される。また、焼成温度は950〜1400℃であることが好ましく、焼成時間は2〜10時間であることが好ましい。
次いで、得られた誘電体1の両面に、電極2,3を形成する。電極の材質に特に制限はなく、Ag、Au、Cu、Pt、Ni等が用いられる。電極の形成方法は蒸着、スパッタリング、焼付け、無電解めっき等の方法によるが、これら以外の方法を用いることも可能であり、電極の形成方法に特に制限はない。
図2は本発明の別の実施形態を示す積層セラミックコンデンサの断面図である。図2に示すように、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサ200は、誘電体層7と、内部電極層6A,6Bと、が交互に積層された構成のコンデンサ素子本体5を有する。この素子本体5の両端部には、素子本体5の内部で交互に配置された内部電極層6A,6Bと各々導通する一対の端子電極11A,11Bが形成してある。素子本体5の形状に特に制限はないが、通常、直方体状とされる。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよい。
誘電体層7は、本実施形態に係る誘電体組成物からなる層である。
誘電体層7の1層当たりの厚さは、任意に設定することができ、例えば1〜100μmにすることができるが、特に制限はない。
内部電極層6A,6Bはそれぞれ平行となるように設けられている。内部電極層6Aは、一方の端部が積層体5における端子電極11Aが形成された端面に露出するように形成されている。また、内部電極層6Bは、一方の端部が積層体5における端子電極11Bが形成された端面に露出するように形成されている。さらに、内部電極層6Aと内部電極層6Bとは、これらの大部分が積層方向に重なり合うように配置されている。
内部電極層6A,6Bの材質としては、例えば、Au,Pt若しくはAg等の金属が用いられるが、特に制限はなく、他の金属を用いることも可能である。
端子電極11A,11Bは、これらが設けられている積層体5の端面において、当該端面に露出している内部電極層6A,6Bの端部とそれぞれ接している。これにより、端子電極11A,11Bは、内部電極層6A,6Bとそれぞれ電気的に接続される。この端子電極11A,11Bは、Ag,Au,Cu等を主成分とする導電材料から構成することができる。端子電極11A,11Bの厚さは、用途や積層型誘電素子のサイズ等によって適宜設定される。例えば10〜50μmにすることができるが、特に制限はない。
以上、本発明の実施形態に係る単層型のセラミックコンデンサおよび積層セラミックコンデンサついて説明した。本実施形態に係る誘電体組成物は、高いDCバイアス印加時において高い比誘電率および静電容量を有するため、例えば、比較的に定格電圧が高い中高圧コンデンサに好適に用いることができる。
また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る誘電体組成物からなる誘電体層は、半導体装置の誘電体素子などとして用いることもできる。本発明に係る誘電体素子としては、例えば、本発明に係る誘電体組成物を薄膜化し、半導体装置等の基板に組み込む薄膜コンデンサ等が挙げられる。
また、本実施形態において、誘電体組成物以外の構成は、公知の構成を自由に用いることができる。また、例えば、上記セラミックコンデンサの製造において、当該仮焼物粉体を水熱合成法等の公知の方法により製造することもできる。また、前駆体としてLa0.67TiO、(Bi0.5Na0.5)TiO、SrTiOなどを作製し、混合、焼結することもできる。
本実施形態に係る誘電体は強誘電体組成物の組み合わせであり、この特定の組み合わせを有することにより8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界を得ることができる。その理由としては、以下のように考えることもできる。
本実施形態に係る誘電体組成物は、例えばLa0.67TiO、(Bi0.5Na0.5)TiOおよびSrTiOなどの強誘電体組成物の組み合わせともいうことができる。この特定の強誘電体組成物の組み合わせにより、少なくとも8V/μmのDCバイアス印加時に800以上の比較的高い比誘電率および14V/μm以上の耐電界を有すると考えることもできる。
以下、実施例および比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1〜17、比較例1〜12)
出発原料として、酸化ビスマス(Bi)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸ストロンチウム(SrCO)、水酸化ランタン(La(OH))、酸化ネオジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化ジスプロシウム(Dy)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化チタン(TiO)の粉末を準備した。
本焼成後の誘電体組成物(焼結体)が、表1の組成を満たすものとなるように、上記粉末原料を秤量した。なお、ここで、表1中のa、b、cおよびdは、それぞれ下記一般式(1)におけるa、b、cおよびdの数値を示す。
(BiNaSrLn)TiO…(1)
次に、秤量した各原料粉末を、ボールミルにより湿式混合した後、得られた混合物を、空気中において850℃で2時間仮焼して仮焼物を得た。そして、得られた仮焼物をボールミルで湿式粉砕して、仮焼物粉体を得た。次いで、仮焼物粉体にPVAを、仮焼物紛体を100重量%とした場合に1重量%添加し、約5×10MPaの圧力で成形し、平面寸法Φ17mm、厚さ1mm程度の円板状成形体を得た。
次に、得られた成形体を空気中において、焼成温度950〜1400℃、焼成時間2〜10時間の範囲で、相対密度95%と以上となる条件で焼成して、誘電体組成物試料を得た。得られた誘電体試料について密度測定を行ったところ、すべての試料の密度が、理論密度に対し95%以上であった。
得られた誘電体組成物試料の組成を分析した。組成分析は蛍光X線分析法で行った。その結果、各焼結体の組成が表1の組成と等しいことを確認した。
得られた誘電体組成物試料の両面にAg電極を蒸着し、コンデンサ試料を作製した。
得られた各コンデンサ試料について、室温25℃における8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率(ε)および耐電界を測定した。
比誘電率は、直流高圧電源(GLASSMAN HIGH VOLTAGE社,WX10P90)をデジタルLCRメータ(Hewlett−Packard社,4284A)に接続して、室温25℃において、8V/μmのDCバイアスを印加しながら前記デジタルLCRメータにて測定した。
耐電界は、直流高圧電源(GLASSMAN HIGH VOLTAGE社,WX10P90)を用いて、電圧を徐々に印加し、絶縁破壊を起こした電界を確認することで測定した。
各実施例および比較例に係る誘電体組成物試料について、室温25℃における8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率および耐電界を表1に示す。
なお、表中の棒線部は8V/μmのDCバイアス印加時に絶縁破壊し、比誘電率が測定できなかったことを示す。また、本実施例においては、比誘電率については、8V/μmのDCバイアス印加時に、800以上となるものを良好とし、900以上となるものをさらに良好とした。また、耐電界については、14V/μm以上のものを良好とした。
以上より、a、b、c、dは、それぞれ、0<a<0.50、0<b<0.50、0<c≦0.80、0<d≦0.20および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たす実施例1〜17の誘電体組成物は、8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が800以上で、かつ耐電界が14V/μm以上であり好ましい範囲内であった。
さらに、a、b、c、dは、それぞれ、0.05<a≦0.40、0.05<b≦0.40、0<c≦0.70、0<d≦0.10および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たす実施例3〜8、実施例10および実施例12〜17の誘電体組成物は、8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が900以上で、かつ耐電界が14V/μm以上であり、特に好ましい範囲内であった。
それに対し、0<a<0.50、0<b<0.50、0<c≦0.80、0<d≦0.20および0.90≦a+b+c+d≦1.05のうちいずれか一つ以上を満たさない比較例1〜12の誘電体組成物は、8V/μmのDCバイアス印加時の比誘電率が測定できないか、測定できても800未満となるか、耐電界が14V/μm未満となった。
さらに、実施例5のコンデンサ試料について、印加するDCバイアスを0〜8V/μmの範囲内で変化させて比誘電率を測定した。測定結果について、従来のBaTiO系コンデンサ試料の比誘電率変化の概略と合せて図3に示す。
図3より、従来のBaTiO系コンデンサ試料は印加するDCバイアスが大きくなるにしたがって比誘電率が急激に低下するのに対し、本願発明に係る誘電体組成物を有するコンデンサ試料は1〜2V/μmのDCバイアス印加時に比誘電率が最大となり、DCバイアスが大きくなっても高い比誘電率を維持することが分かる。
1…誘電体
2,3…電極
5…積層体
6A,6B…内部電極層
7…誘電体層
11A,11B…端子電極
100…セラミックコンデンサ
200…積層セラミックコンデンサ

Claims (4)

  1. (BiNaSrLn)TiOで表される主成分を有する誘電体組成物からなる誘電体層と内部電極層とを交互に積層されてなる積層部分を有する積層電子部品であって、
    Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、HoおよびYbの中から選択される少なくとも1種であり、
    a、b、cおよびdは、それぞれ、0.05<a≦0.40、0.05<b≦0.40、0<c≦0.70、0<d≦0.04および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たすことを特徴とする積層電子部品。
  2. a=bである請求項1に記載の積層電子部品。
  3. Lnは、La、GdおよびYbの中から選択される少なくとも1種である請求項1に記載の積層電子部品。
  4. 積層電子部品の誘電体層(7)に含まれる誘電体組成物を提供する工程と、
    前記誘電体組成物からなる誘電体層(7)と、内部電極層(6A、6B)と、を積層する工程と、を有する積層電子部品の積層部分の製造方法であって、
    前記誘電体組成物を提供する工程は、
    出発原料の粉末を提供する工程と、
    前記出発原料の粉末を湿式混合する工程と、
    湿式混合により得られた混合物を仮焼することにより、仮焼物を得る工程と、
    仮焼物粉体を得るために前記仮焼物を湿式粉砕した後に乾燥する工程と、
    前記仮焼物粉体に結合剤を添加する工程と、を有し、
    前記出発原料の粉末は、水酸化ランタン(La(OH))、酸化セリウム(Ce)、酸化ネオジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化ジスプロシウム(Dy)および酸化イッテルビウム(Yb)から選択される少なくとも1種の粉末と、酸化ビスマス(Bi)の粉末と、炭酸ナトリウム(NaCO)の粉末と、炭酸ストロンチウム(SrCO)の粉末と、酸化チタン(TiO)の粉末と、からなり、
    前記出発原料の粉末は、(BiNaSrLn)TiOで表され、a、b、cおよびdは、それぞれ、0<a<0.50、0<b<0.50、0<c≦0.80、0<d≦0.20および0.90≦a+b+c+d≦1.05を満たす主成分を有する誘電体組成物が焼成により得られるように秤量される積層電子部品の積層部分の製造方法。
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