JP6539589B2 - 誘電体磁器組成物、誘電体デバイス及びそれらの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、誘電体磁器組成物、誘電体デバイス及びそれらの製造方法に関する。
従来、低温焼結可能なBaTiO3系の誘電材料が提案されている(特許文献1〜3参照)。例えば、特許文献1では、BaTiO3を主成分としCuO、ZnOおよびMgOからなる群より選ばれた少なくとも一種とBi23とを副成分とし、900℃〜1000℃で焼結される誘電材料が提案されている。また、特許文献2では、BaTiO3を主成分とし、CuBi24及びZnO−B23−SiO2系ガラスを副成分とし、600℃〜950℃などで焼成される誘電材料が提案されている。また、特許文献3では、BaTiO3、ZnO、Bi23、Nb25、Re23を含む組成のものを主成分とし、SiO2系のガラスを副成分とし、1160℃以下で焼成される誘電材料が提案されている。
特開2007−290940号公報 特開2009−132606号公報 特開平7−37426号公報
しかしながら、特許文献1の誘電材料では、助剤成分であるBi23やCuOが残存するなどして、使用により絶縁抵抗が低下することがあった。特許文献2の誘電材料では、助剤成分がガラス成分と反応するなどして、誘電率の温度特性(例えば静電容量の温度変化率など)が悪いことがあった。特許文献3の誘電材料では、1000℃以上で焼成する必要があり、比抵抗率が低いAg系電極などとの同時焼成が困難であった。このため、低温(例えば1000℃以下など)での焼結が可能で、助剤成分の残存や焼成時などにおける含有成分の拡散や反応を抑制して所望の特性が得られる、新規な誘電体磁器組成物及び誘電体デバイスが望まれていた。
上述した課題を解決するために鋭意研究したところ、本発明者らは、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形して焼結すると、新規な誘電体磁器組成物及び誘電体デバイスを提供できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の誘電体磁器組成物は、
BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子部と、
前記誘電粒子部の粒子間に存在しZnOを含む粒界部と、
を備えたものである。
また、本発明の誘電体デバイスは、
上述した誘電体磁器組成物と、
前記誘電体磁器組成物と一体化されAg又はAg合金である電極と、
を備えたものである。
また、本発明の誘電体磁器組成物の製造方法は、
BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形し焼結する成形焼結工程、
を含むものである。
また、本発明の誘電体デバイスの製造方法は、
BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形した成形体と、Ag又はAg合金を含む電極材料と、を一体化した電極付き成形体を焼結する成形焼結工程、
を含むものである。
本発明では、新規な誘電体磁器組成物及び誘電体デバイスを提供することができる。例えば、誘電粒子原料としてBaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素(助剤成分)を含ませた化合物を用いることで、残留する助剤成分を低減し、元素拡散を抑制できると考えられる。また、BaTiO3の一部に助剤成分を含ませた誘電粒子原料と、BaTiO3と反応しにくい粒界部原料と、を用いるため、BaTiO3や助剤成分と粒界部原料との反応を抑制することができると考えられる。
誘電体磁器組成物10の概略の断面図。 積層セラミックコンデンサ50の概略の断面図。 実験例3の焼成体のSEM写真。 実験例36の焼成体のSEM写真。
(誘電体磁器組成物)
本発明の誘電体磁器組成物は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子部と、誘電粒子部の粒子間に存在しZnOを含む粒界部と、を含む。
誘電粒子部は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物の粒子で構成されており、粒子同士が結合していてもよい。BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含むとは、例えば、BaTiO3のうち、BaやTiの一部が、Ba、Ti以外の金属元素で置換されているものとしてもよく、例えば、一般式(Ba1-xM1x)(Ti1-yM2y)O3(式中、M1及びM2はBa、Ti以外の金属元素であり、x及びyは0より大きく1未満の数値である)で表されるものとしてもよい。また、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含むとは、例えば、BaTiO3に、Ba、Ti以外の金属元素や、Ba、Ti以外の金属元素を含む化合物(酸化物など)が固溶しているものとしてもよい。Ba、Ti以外の金属元素としては、アルカリ土類金属元素、希土類元素、Sb、Ni、Cu、Cr、Fe、Co、Mn、Ta、Nb、W、Mo、Zn、Bi、Zr、Ag、Sn、Srからなる群より選ばれる1以上の元素としてもよい。このうち、Bi、Zn、Mn、Zr、Nb、Sn、Srからなる群より選ばれる1以上の元素としてもよく、例えば、Bi、Zn及びMnとしてもよいし、Bi、Zn、Mn及びZrとしてもよい。Ba、Ti以外の金属元素は、例えば、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3などのように、酸化物として含まれていてもよい。なお、Zrは、製造工程などで不可避的に含まれるものとしてもよい。
誘電粒子部は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物粒子を1種有していてもよいし、2種以上有していてもよい。また、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物の粒子は、粒子内で組成や特性の一定な単相の粒子としてもよいし、粒子内で組成や特性の異なる複数の相を有する多相の粒子としてもよい。多相の粒子としては、例えば、粒子の核(コア)となる部分と、核を覆うように形成された殻(シェル)となる部分とで組成や特性の異なるコアシェル構造や、粒子の中心部から外周に向けて組成や特性が連続的又は断続的に変化する構造などが挙げられる。多相の粒子においては、一部の相がBaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む相でなくてもよい。2種以上の粒子を有している場合や、多相の粒子を有している場合等のように、誘電粒子部が組成や特性(特に誘電率の温度特性)の異なる2種以上の相を備えている場合、誘電率の温度特性が異なる2種以上の相が混在するため、誘電粒子部の誘電率の温度特性を安定化させることができると考えられる。誘電粒子部が2種以上の相を備えている場合、例えば、BaTiO3からなるBaTiO3相と、BaTiO3にBa、Ti以外の金属元素の酸化物、例えば、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上などが固溶及び/又は置換した相(固溶/置換相)とを含んでいてもよく、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3などの固溶/置換量が異なる固溶/置換相をさらに又はBaTiO3相に代えて含んでいてもよい。この固溶/置換相は、Bi23、ZnO及びMn34を含むものとしてもよいし、Bi23、ZnO、Mn34及びZrO2を含むものとしてもよい。この固溶/置換相は、例えば、ZrO2、SrO、SrTiO3、Nb25、SnO2からなる群より選ばれる1以上を含んでいてもよい。また、固溶/置換相は、CuOを含んでいないことが好ましく、CuOを含んでいる場合でも微量であることが好ましい。なお、相の特性は、相の組成や作製条件などを調製することによって、変化させることができる。
粒界部は、ZnOを含むものである。粒界部は、ZnOを35質量%以上含むことが好ましい。また、粒界部は、ZnO及びB23を主とするものであることが好ましく、ZnOを主とするものとしてもよい。ZnO及びB23を主とするとは、粒界部の構成成分のうちで、ZnOとB23との合計の質量割合が最も多いことを示す。また、ZnOを主とするとは、第1粒界部の構成成分のうちで、ZnOの質量割合が最も多いことを示す。粒界部は、ZnOを含むガラスを元とするものとしてもよく、より詳しくは、ZnOを含むガラスが結晶化したものとしてもよい。ZnOを含むガラスが結晶化した成分が誘電粒子部の粒子間に存在することによって、絶縁劣化を抑制することができると考えられる。ZnOを含むガラスとしては、Zn−B−O系のガラスなどが挙げられる。ここで、Zn−B−O系のガラスは、Zn、B、Oを含むガラスである。例えば、ZnOとB23とを含むガラスとしてもよい。また、Zn−B−O系のガラスは、Zn、B、Oに加えて、他の元素を副次的に数種含んでもよく、例えば、Zn−B−Si−O系のガラスとしてもよい。ここで、Zn−B−Si−O系のガラスとは、Zn、B、Si、Oを含むガラスとしてもよい。例えば、ZnOとB23とSiO2とを含むガラスとしてもよい。Zn−B−O系のガラスは、例えば、ZnOを35質量%以上80質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。また、B23を10量%以上50質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。また、SiO2を5質量%以上15質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。粒界部は、BiやMgなどを含んでいないことが好ましい。BiやMgが粒界部に含まれないものとすれば、絶縁抵抗の低下をより抑制することができる。ZnOを含む粒界部の割合は、誘電体磁器組成物の断面を観察したときに、誘電体磁器組成物全体に対して0%より多ければよいが、1%以上が好ましく、2%以上がより好ましい。また、100%より少なければよいが、20%以下が好ましく、13%以下がより好ましい。
誘電体磁器組成物は、誘電粒子部及び粒界部の他に、さらに酸化物粒子を含むものとしてもよい。酸化物粒子としては、例えば、上述したBa、Ti以外の金属元素の酸化物などが挙げられる。酸化物粒子は、例えば、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含むものとしてもよく、Bi23、ZnO及びMn34を含むものとしてもよいし、Bi23、ZnO、Mn34及びZrO2を含むものとしてもよい。また、酸化物粒子は、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含むものとしてもよい。
誘電体磁器組成物は、Bi23を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn34を0.01質量%以上1.0質量%以下の範囲で含み、CuOの含有量が0.4質量%以下の範囲内にあることが好ましい。こうしたものでは、比誘電率が例えば1000以上などと高く、誘電正接tanδが0.05以下などと低く、X7R特性(EIA規格:−55℃〜125℃の範囲における容量変化率が25℃の容量に対して±15%以内)を満たし、Ag系の電極との同時焼成を良好に行うことができる。また、使用による絶縁抵抗の低下が少なく、寿命を長いものとすることができる。誘電体磁器組成物は、BaTiO3(BaOとTiO2との合計としてもよい)を70質量%以上97質量%以下の範囲で含むものとしてもよいし、80質量%以上95質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。また、誘電体磁器組成物は、SnO2、ZrO2、Nb25、SrOからなる群より選ばれる1以上を含み、SnO2の含有量は1.0質量%以下、ZrO2の含有量は2.5質量%以下、Nb25の含有量は1.0質量%以下、SrOの含有量は10質量%以下であるものとしてもよい。SnO2、ZrO2、Nb25、SrOからなる群より選ばれる1以上を含む場合、その含有量は、それぞれ0.01質量%以上としてもよい。また、誘電体磁器組成物は、SiO2を0.01質量%以上0.5質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。なお、ここでは、各金属成分を酸化物換算した含有量を示したが、各金属成分は、上述した酸化物以外の形態で存在していてもよい。
誘電体磁器組成物は、比誘電率が1000以上3000以下であるものとしてもよい。こうしたものでは、BaTiO3系の誘電体に求められる比誘電率を有するものとすることができる。また、誘電体磁器組成物は、誘電正接tanδが0.05以下であるものとしてもよく、0.04以下が好ましく、0.03以下がより好ましい。こうしたものでは、誘電損失の小さいものとすることができる。
本発明の誘電体磁器組成物は、例えば、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料と、ZnOを含む粒界部原料と、を含む調製粉を成形し焼結して得られたものとしてもよい。こうした誘電体磁器組成物は、後述する誘電体磁器組成物の製造方法によって得られるものとしてもよい。
本発明の誘電体磁器組成物は、低温同時焼成セラミックス(LTCC)多層基板内に含まれるものとしてもよい。
本発明の誘電体磁器組成物は、例えば、図1に示す誘電体磁器組成物10としてもよい。図1は、誘電体磁器組成物10の概略の断面図である。誘電体磁器組成物10は、誘電粒子部22と粒界部24とを備えている。誘電粒子部22は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物であり、上述した誘電粒子部の種々の態様を適用できる。また、粒界部24は、誘電粒子部22の粒子間に存在しZnOを含むものであり、上述した粒界部の種々の態様を適用できる。
(誘電体デバイス)
本発明の誘電体デバイスは、上述した誘電体磁器組成物と、誘電体磁器組成物と一体化されAg又はAg合金である電極とを備えている。Ag合金は、Agを50質量%以上含むものであることが好ましく、Agを80質量%以上含むものとしてもよい。Agと合金を構成する金属としては、例えば、Pdなどが挙げられる。この誘電体デバイスでは、誘電体磁器組成物は、CuOを含まないか、CuOが少ない組成とすることが好ましい。例えば、CuOの含有量は、0.4質量%以下の範囲であることが好ましい。こうすれば、Ag系電極を損なうこと無く、積層セラミックスコンデンサ等を作製できる。
本発明の誘電体デバイスは、例えば、図2に示す積層セラミックコンデンサ50としてもよい、図2は、積層セラミックコンデンサ50の概略の断面図である。積層セラミックコンデンサ50は、上述した誘電体磁器組成物10と、誘電体磁器組成物10と一体化されAg又はAg合金である電極(内部電極)52と、外部電極54とを備えている。なお、本発明の誘電体デバイスでは、外部電極54を省略してもよい。
(誘電体磁器組成物の製造方法)
本発明の誘電体磁器組成物の製造方法は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形し焼結する成形焼結工程、を含む。
この成形焼結工程は、例えば、(A)調製粉製造工程、(B)成形体製造工程、(C)焼結工程、を含むものとしてもよい。以下では、各工程について説明する。
(A)調製粉製造工程
この工程では、誘電粒子原料と粒界部原料とを混合して調製粉を製造する。
誘電粒子原料は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物の粉末(粒子)である。BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含むとは、例えば、BaTiO3のうち、BaやTiの一部が、Ba、Ti以外の金属元素で置換されているものとしてもよく、例えば、一般式(Ba1-xM1x)(Ti1-yM2y)O3(式中、M1及びM2はBa、Ti以外の金属元素であり、x及びyは0以上1以下の数値である)で表されるものとしてもよい。また、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含むとは、例えば、BaTiO3に、Ba、Ti以外の金属元素や、Ba、Ti以外の金属元素を含む化合物(酸化物など)が固溶しているものとしてもよい。Ba、Ti以外の金属元素としては、誘電粒子部の説明で例示したものなどが挙げられる。
誘電粒子原料は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物の粉末を1種有していてもよいし、2種以上有していてもよい。また、誘電粒子原料は、誘電粒子部と同様、粒子内で組成や特性の一定な単相の粒子としてもよいし、粒子内で組成や特性の異なる多層の粒子としてもよい。多相の粒子としては、例えば、上述したコアシェル構造や、粒子の中心部から外周に向けて組成や特性が連続的又は断続的に変化する構造を有するものなどを好適に用いることができる。2種以上の粒子を有している場合や、多相の粒子を有している場合等のように、誘電粒子原料が組成や特性(特に誘電率の温度特性)の異なる2種以上の相を備えている場合、誘電率の温度特性が異なる2種以上の相が混在するため、得られる誘電体磁器組成物において、誘電粒子部の誘電率の温度特性を安定化させることができると考えられる。
誘電粒子原料は、例えば、BaTiO3原料と、Ba、Ti以外の金属元素とを含む混合粉を焼成して合成粉を製造する、合成粉製造工程を経て得られたもの(合成粉)としてもよい。予め合成した合成粉を用いると、製造時におけるガラス成分とBa、Ti以外の金属元素を含む助剤(例えば、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3等)との副反応が生じにくく、誘電特性などの特性が良好な誘電体磁器組成物を製造できる。なお、合成粉製造工程以外の製造方法で得られたものであっても、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物の粉末であれば、同様の効果が期待できる。
合成粉製造工程において、BaTiO3原料としては、BaTiO3そのものとしてもよいし、焼成によってBaTiO3が得られるもの、例えばBaCO3とTiO2との混合物などとしてもよいし、これらの両方を含むものとしてもよい。Ba、Ti以外の金属元素は、どのような形態で含まれていてもよいが、酸化物として含まれることが好ましい。
合成粉製造工程において、混合粉は、BaTiO3原料のほかに、Ba、Ti以外の金属元素として、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SrO、SrTiO3、Nb25、SnO2からなる群より選ばれる1以上を含むものとしてもよい。このうち、混合粉は、Bi23、ZnO、Mn34を含むものとしてもよいし、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2を含むものとしてもよい。また、混合粉は、ZrO2、SrO、SrTiO3、Nb25、SnO2からなる群より選ばれる1以上を含むものとしてもよい。混合粉は、Bi23を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn34を0.01質量%以上1.0質量%以下、の範囲で含み、CuOの含有量が0.4質量%以下の範囲内にあることが好ましい。こうすれば、比誘電率が高く、誘電正接tanδが低く、X7R特性を満たし、使用による絶縁抵抗の低下が少なく、寿命の長い誘電体磁器組成物を容易に得ることができる。また、焼結工程において、Ag系の電極との同時焼成を良好に行うことができる。混合粉は、BaTiO3原料をBaTiO3換算で70質量%以上97質量%以下の範囲で含むものとしてもよいし、80質量%以上95質量%以下の範囲で含むものとしてもよい。また、混合粉は、ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含み、ZrO2の含有量は25質量%以下、SnO2の含有量は15質量%以下、Nb25の含有量は1.0質量%以下、SrOの含有量は10質量%以下、SrTiO3の含有量は18質量%以下であるものとしてもよい。ZrO2、SnO2、Nb25、SrO、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含む場合、その含有量は、それぞれ0.01質量%以上としてもよい。なお、ZrO2は、例えば、粉砕混合などにより混合粉を作製する場合、粉砕に用いるZrO2玉石などから供給されてもよい。
合成粉製造工程では、焼成条件は、特に限定されないが、大気や酸素雰囲気などの酸化性雰囲気下で、700℃以上1200℃以下の焼成温度で、1時間以上24時間以下の時間、熱処理するものとしてもよい。
合成粉製造工程では、1種の合成粉を製造してもよいし、異なる組成や作製条件で作製した誘電率の温度特性が異なる2種以上の合成粉を製造してもよい。
粒界部原料は、ZnOを含むものである。粒界部原料は、ZnOを35質量%以上含むことが好ましい。また、粒界部原料は、ZnO及びB23を主とするものであることが好ましく、ZnOを主とするものとしてもよい。ZnO及びB23を主とするとは、粒界部原料の構成成分のうちで、ZnOとB23との合計の質量割合が最も多いことを示す。また、ZnOを主とするとは、粒界部原料の構成成分のうちで、ZnOの質量割合が最も多いことを示す。粒界部原料は、後の焼結工程において溶融して粒子原料の粒子間を埋め得るものであればよいが、ガラスであることが好ましく、Zn−B−O系のガラス(例えばZn−B−Si−O系のガラス)であることが好ましい。Zn−B−O系のガラスは、BaTiO3と反応しにくいため、誘電体磁器組成物の特性をより維持できる。なお、Zn−B−O系やZn−B−Si−O系のガラスについては、粒界部において説明したものと同様のため、ここでは説明を省略する。調製粉は、粒界部原料を0.5体積%以上15体積%以下の範囲で含むことが好ましく、1.5体積%以上11体積%以下の範囲で含むことがより好ましい。こうすれば、比誘電率が高く、誘電正接tanδが低く、X7R特性を満たし、使用による絶縁抵抗の低下が少なく、寿命の長い誘電体磁器組成物を容易に得ることができる。また、焼結工程において、比抵抗率が低いAg系の電極との同時焼成をなど良好に行うことができる。
調製粉は、誘電粒子原料と粒界部原料のほかに、これらとは異なる酸化物粒子を含むものとしてもよい。酸化物粒子は、例えば、比誘電率が500以上100000以下の範囲内にあるものとしてもよく、SrTiO3や添加物のないBaTiO3などのような複酸化物としてもよい。こうした酸化物粒子を含む場合、焼成体において、静電容量の変化率の絶対値をより広い温度範囲で小さくできるなど、誘電率の温度特性をより広い温度範囲で良好なものとすることができる。複酸化物を含む場合、1体積%以上60体積%以下の範囲で含むことが好ましく、1体積%以上50体積%以下の範囲で含むことがより好ましい。
(B)成形体製造工程
この工程では、調製粉を成形した成形体を製造する。成形体製造工程において、調製粉を成形する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、プレス成形や、金型成形、押出成形、印刷、ドクターブレードなどによって成形してもよい。調製粉は、単独で用いてもよいし、トルエンやイソプロピルアルコール(IPA)などの有機溶剤や、有機バインダー、可塑剤、分散剤などを加えて、グリーンシートや坏土状、ペースト状、スラリー状等にして用いてもよい。
(C)焼結工程
この工程では、上述した成形体を焼成(焼結)して誘電体磁器組成物を製造する。焼結工程では、800℃以上1000℃以下の焼結温度で焼結するものとしてもよい。BaTiO3系の材料は、1000℃以下で焼結することが望まれているからである。1000℃以下で焼結可能であれば、例えば、比抵抗率の低いAg電極やガラスを用いて焼結される低誘電材料と同時積層焼成を可能とすることができる。また、800℃以上で焼結すれば、密度が高く、誘電特性に優れた誘電体磁器組成物が得られるからである。焼成時間は、例えば、1時間以上24時間以下の範囲内とすることができる。なお、この焼結工程では、誘電粒子原料が誘電粒子部、粒界部原料が粒界部、となると考えられるが、この際、誘電粒子部、粒界部は、各原料以外の成分を取り込んだり、各原料の一部を放出したりして、得られたものとしてもよい。
(誘電体デバイスの製造方法)
本発明の誘電体デバイスの製造方法は、BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形した成形体と、Ag又はAg合金を含む電極材料と、を一体化した電極付き成形体を焼結する成形焼結工程を含む。
この成形焼結工程は、例えば、(A)調製粉製造工程、(B’)電極付き成形体製造工程、(C)焼結工程、を含むものとしてもよい。なお、(B’)電極付き成形体製造工程以外の工程は、誘電体磁器組成物の製造方法と同様であるため、以下では、(B’)電極付き成形体製造工程について説明し、その他の工程については説明を省略する。
(B’)電極付き成形体製造工程
この工程では、調製粉を成形した成形体と、Ag又はAg合金を含む電極材料と、を一体化し、電極付き成形体を製造する。成形体については、上述した成形体製造工程と同様に成形すればよい。Ag合金としては、誘電体デバイスの説明で例示したものが挙げられる。電極材料は、例えば、AgやAg合金の粉末に有機溶剤などを加えてペースト状やスラリー状とし、塗布して成形してもよい。
以上説明した、本発明の誘電体磁器組成物、誘電体デバイス及びそれらの製造方法では、BaTiO3系の新規な誘電体磁器組成物を提供することができる。例えば、誘電粒子原料としてBaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素(助剤成分)を含ませた(例えば固溶させた)化合物を用いることで、残留する助剤成分を低減し、元素拡散を抑制できると考えられる。また、BaTiO3の一部に助剤成分を含ませた誘電粒子原料と、BaTiO3と反応しにくい粒界部原料と、を用いるため、助剤成分と粒界部原料との反応を抑制することができると考えられる。また、誘電粒子部の粒子間にZnOを含む粒界部が存在することによって、誘電体磁器組成物の絶縁劣化を抑制することができると考えられる。また、例えば、CuOなどを添加しなくても1000℃以下などの低温で焼結できるため、Ag系の電極などと同時焼成を行った場合などでも、CuO成分の拡散によって電極が分断され電極の有効面積が小さくなってしまうことなどを抑制できる。また、一般に、誘電体磁器組成物とAg系の電極とを同時焼成して誘電体デバイスを製造する場合、例えば1000℃以下などの低温で焼成する必要があるが、この誘電体磁器組成物は、そうした低温で焼成可能なため、比較的容易に製造できる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下には、誘電体磁器組成物を具体的に作製した例について、実験例として説明する。なお、実験例1〜23、42〜52が本発明の実施例に相当し、実験例32〜41が比較例に相当し、実験例24〜31が参考例に相当する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[実験例1〜52]
(調製粉の作製)
表1に示す各組成となるように、BaTiO3、Bi23、ZnO、Mn34、CuO、BaCO3、TiO2、Nb25、SnO2、ZrO2の各原料粉末を秤量した。なお、チタン酸バリウムについては、純度99.9%、平均粒径0.5μmの市販品を使用した。他の原料粉末についても、純度99.9%以上の市販品を用いた(平均粒径は、Bi23:5μm、ZnO:5μm、Mn34:5μm、CuO:5μm、BaCO3:1μm、TiO2:1μm、Nb25:5μm、SnO2:5μm、ZrO2:0.5μm)。さらに、イソプロピロアルコール(IPA)を適量加え、ジルコニア玉石を用いて、ボールミルにて48時間湿式粉砕混合し、200メッシュふるいを通したスラリーを乾燥し、100メッシュふるいにて整粒した。その混合粉を、大気中で表1に示す所定の温度で2時間事前合成し、事前合成粉(6.15g/cm3)を得た。事前合成前の混合粉については、N2−BET法により比表面積の測定を行った(表1)。
また、表2に示す各組成のガラス(平均粒径10μm)を用意した。
上述した事前合成粉(誘電粒子原料)と、上述したガラス(粒界部原料)と、実験例42,43においてはさらにSrTiO3と、を表3,4に示す所定量添加し、さらにIPAを加え、ジルコニア玉石を用いて、ボールミルにて24時間湿式粉砕混合後、200メッシュふるいを通したスラリーを乾燥し、100メッシュふるいにて整粒し、調製粉を得た。SrTiO3については、純度99%、平均粒径1μm、比表面積11.7m2/gの市販品を使用した。なお、実験例32〜36では、事前合成粉ではなく、事前合成前の混合粉をそのまま用いた。また、実験例36〜39では、ガラスを添加しなかった。さらに、実験例40,41では、Zn−B−Si−O系以外のガラスを添加した。
(セラミックコンデンサの作製)
前述の調製粉に、ポリビニルブチラール等の有機バインダーや可塑剤、トルエン,エチルアルコールなどの有機溶剤を適量加えて、ボールミルで12時間湿式混合した後、ドクターブレード法によって、厚み20μmのグリーンシートを得た。このグリーンシートに内部電極パターンとして、表3,4に示すAg/Pd(質量比85wt%/15wt%)、もしくはAgのペーストを用いて、厚み4μmとなるように印刷したのち、グリーンシートを誘電体層(上下を電極に挟まれた部分)が16層になるように積み重ねて、熱圧着し、圧着体(電極付き成形体)を得た。この圧着体から長さ6mm,幅2mmの成形体を切り出した。その積層体を大気中、表3,4に示す焼成温度で2時間焼結を行い、焼成体を得た。その焼成体に外部電極を形成して、内部電極と導通を取り、積層セラミックコンデンサのサンプルを得た。焼成後のセラミックコンデンサの誘電体一層の厚みは15μmであり、Ag電極の厚みは2.5μmであった。図2に、こうした積層セラミックスコンデンサの概略の断面図を示す。積層セラミックスコンデンサ50は、誘電体層(誘電体磁器組成物)10と、内部電極52と、外部電極54とを備えている。
(密度測定・化学分析用の焼成体作製)
前述の調製粉をφ30で100kg/cm2にて一軸プレス成形し、さらに各サンプルの成形密度がグリーンシートの成形密度とほぼ同等な51−56%の範囲内になる圧力で冷間等方加圧法を行った。この成形体を表3,4に示す焼成温度で2時間焼結を行い、密度測定、および化学分析用焼成体のサンプルを得た。
(比誘電率・tanδ測定)
各積層セラミックコンデンサのサンプルを恒温層に入れ、25℃で保持した後に、LCRメーターにて1kHz、1Vrmsにおける静電容量、およびtanδを測定した。容量、電極寸法、および誘電層の厚みから比誘電率を算出した。また、同様に、測定温度を−55℃〜125℃の範囲で、静電容量を測定し、X7R特性(EIA規格:−55℃〜125℃の範囲における容量変化率が、25℃の容量に対して±15%以内)を満たすか評価し、25℃での静電容量を基準として、−55℃〜125℃の間における静電容量変化率の絶対値が最大である値を求めた(容量最大変化率)。X7R特性を満たす場合は「A」、X7R特性を満たさない場合は「B」とした。
(信頼性試験(高温加速寿命))
各積層セラミックコンデンサのサンプルを、170℃にて、8V/μmの電界下で加速試験を行い、絶縁抵抗が1MΩ以下になるまでの時間を寿命時間とした。なお、絶縁抵抗に劣化がみられず、1MΩ以上を1000時間以上維持した場合、寿命時間を1000h以上とした。また、加速試験開始直後に1MΩ以下となった場合、寿命時間を0hとした。
(ガラス由来の粒界相(粒界部)割合)
走査型電子顕微鏡(SEM)の10000倍の像における、誘電粒子部とはコントラストの異なる粒界相について、画像解析によりその部分の面積を算出し、全体の面積に占める割合を算出した。各実験例について、3視野の平均値を粒界相の占める粒界相面積の割合とした。コントラストの異なる粒界相は、FE−EPMAで元素分布を確認し、ガラス由来であり、ZnOを含むものであると判断した。
(Ag電極及び焼成体の観察)
研磨により、積層セラミックコンデンサの断面を出し、走査型電子顕微鏡(SEM)にて、Ag電極及び焼成体の観察を行った。Ag電極の観察では、電極部位の電極成分以外の異物や空孔の観察を行った。電極層中のAgの占める面積が95%以上の場合は「A」、90%以上95%未満の場合は「B」、90%未満の場合は「C」とした。
(密度測定)
密度測定用の各焼成体を用意し、アルキメデス法により密度を測定した。
(焼成体の組成)
化学分析用の各焼成体を粉砕し、酸溶液で溶解させ、ICP発光分光分析法により、各成分を定量した。なお、ZrO2未添加の水準で検出されたZrO2は、ジルコニア玉石に起因するものと推察される。B23については、検出限界以下のため、0wt%と表記した。
(実験結果)
図3に、本発明の実施例の一例として実験例3の焼成体のSEM写真を示す。また、図4に、本発明の比較例の一例として実験例36のSEM写真を示す。図3より、BaTiO3、Bi23、ZnO、Mn34を含む混合粉を事前に焼成した事前合成粉と、Zn−B−Si−O系のガラスと、を混合した調製粉を成形して焼結したものでは、誘電粒子部と粒界部とが区別できることがわかった。これに対して、図4より、事前合成粉やZnOを含む粒界部原料を用いない場合には、誘電粒子部と粒界部との区別がなく、互いに反応してしまうことがわかった。実験例1〜52の密度、比誘電率、tanδ、X7R特性、容量最大変化率、寿命時間、粒界相割合、Ag電極の観察結果、焼成体の化学組成を表5,6に示した。表5,6に示すように、BaTiO3、Bi23、ZnO、Mn34を含む混合粉を事前に焼成した事前合成粉と、Zn−B−Si−O系のガラスと、を混合した調製粉を成形して焼結した実験例1〜31、42〜52のものでは、新規な誘電体磁器組成物が得られた。このうち、Bi23を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn34を0.01質量%以上1.0質量%以下、SiO2を0.01質量%以上0.5質量%以下の範囲で含む実験例1〜23、42〜52のものでは、比誘電率が1000以上と高く、誘電正接tanδが0.05以下などと低く、X7R特性を満たし、Ag系の電極との同時焼成を良好に行うことができ、また、使用による絶縁抵抗の低下が少なかった。なお、混合粉を事前に焼成せずにそのまま用いた実験例32〜36では、Bi23やCuOがBaTiO3に固溶及び/又は置換することなく残留しており、これにより、寿命時間が短くなり、使用により絶縁抵抗が低下したものと推察された。また、このうち、実験例32〜35では、ガラスを用いたものの、誘電粒子部と粒界部との区別ができなかった。これは、Bi23、ZnO、Mn34などの助剤成分が、BaTiO3と反応固溶する前にガラス成分と反応してしまい、そのため、誘電率の温度特性(静電容量の温度変化率)を所望のものとすることができなかったと推察された。また、CuO成分を含む実験例9,10,26,35,36では、Ag電極の分断及びそれに伴う電極の有効面積の減少が確認され、それ以外では、そうした現象が確認されなかった。このことから、本願では、例えば、CuOを添加しなくても低温で焼結できるため、こうしたAg電極の分断などを抑制でき、好ましいことがわかった。
この出願は、2014年2月4日に出願された米国仮出願第61/935,412号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、電子機器の分野に利用可能である。
10 誘電体磁器組成物、22 誘電粒子部、24 粒界部、50 積層セラミックコンデンサ、52 内部電極、54 外部電極。

Claims (16)

  1. BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子部と、
    前記誘電粒子部の粒子間に存在しZnOとSiO 2 とを少なくとも含む結晶化ガラスである粒界部と、
    を備え
    Bi 2 3 を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn 3 4 を0.01質量%以上1.0質量%以下の範囲で含み、Cuの含有量がCuO換算で0.4質量%以下であり、−55℃〜125℃の範囲における容量変化率が25℃の容量に対して±15%以内を満たし、1kHzでの比誘電率が1000以上3000以下である、
    誘電体磁器組成物。
  2. 前記誘電体磁器組成物は、ZrO2、SnO2、Nb25、SrOからなる群より選ばれる1以上を含む、請求項1に記載の誘電体磁器組成物。
  3. SnO2、ZrO2、Nb25、SrOからなる群より選ばれる1以上を含み、前記SnO2の含有量は1.0質量%以下、前記ZrO2の含有量は2.5質量%以下、前記Nb25の含有量は1.0質量%以下、前記SrOの含有量は10質量%以下である、請求項1又は2に記載の誘電体磁器組成物。
  4. 誘電正接tanδが0.05以下である、請求項1〜のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物。
  5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物と、
    前記誘電体磁器組成物と一体化されAg又はAg合金である電極と、
    を備えた誘電体デバイス。
  6. BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形し、800℃以上1000℃以下の焼結温度で焼結する成形焼結工程、
    を含み、
    前記誘電粒子原料は、BaTiO 3 原料と、Ba、Ti以外の金属元素とを含む混合粉を焼成したものであり、
    前記混合粉はCuの含有量がCuO換算で0.4質量%以下であり、
    前記粒界部原料はZnOとSiO 2 とを少なくとも含むガラスであり、
    −55℃〜125℃の範囲における容量変化率が25℃の容量に対して±15%以内を満たし、1kHzでの比誘電率が1000以上3000以下である誘電体磁器組成物を製造する、
    誘電体磁器組成物の製造方法。
  7. 前記混合粉は、Bi23、ZnO、Mn34、ZrO2、SnO2、Nb25、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含む、請求項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  8. 前記混合粉は、Bi23、ZnO及びMn34を含む、請求項又はに記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  9. 前記混合粉は、Bi23を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn34を0.01質量%以上1.0質量%以下の範囲で含み、CuOの含有量が0.4質量%以下である、請求項のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  10. 前記混合粉は、SnO2、ZrO2、Nb25からなる群より選ばれる1以上を含み、前記SnO2の含有量は15質量%以下、前記ZrO2の含有量は25質量%以下、前記Nb25の含有量は1.0質量%以下である、請求項のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  11. 前記調製粉は、前記粒界部原料を0.5体積%以上15体積%以下の範囲で含む、請求項10のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  12. 前記調製粉において、前記粒界部原料は、Zn−B−O系のガラスである、請求項11のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  13. 前記調製粉は、前記誘電粒子原料として、組成の異なる2種以上の粒子を含む、請求項12のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  14. 前記調製粉は、さらに、SrTiO3を含む、請求項13のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  15. BaTiO3の一部にBa、Ti以外の金属元素を含む化合物である誘電粒子原料とZnOを含む粒界部原料とを含む調製粉を成形した成形体と、Ag又はAg合金を含む電極材料と、を一体化した電極付き成形体を800℃以上1000℃以下の焼結温度で焼結する成形焼結工程、
    を含み、
    前記誘電粒子原料は、BaTiO 3 原料と、Ba、Ti以外の金属元素とを含む混合粉を焼成したものであり、
    前記混合粉はCuの含有量がCuO換算で0.4質量%以下であり、
    前記粒界部原料はZnOとSiO 2 とを少なくとも含むガラスであり、
    −55℃〜125℃の範囲における容量変化率が25℃の容量に対して±15%以内を満たし、1kHzでの比誘電率が1000以上3000以下である誘電体磁器組成物を備えた誘電体デバイスを製造する、
    誘電体デバイスの製造方法。
  16. 前記混合粉は、Bi 2 3 を3.5質量%以上11質量%以下、ZnOを0.6質量%以上5.0質量%以下、Mn 3 4 を0.01質量%以上1.0質量%以下の範囲で含み、CuOの含有量が0.4質量%以下である、請求項15に記載の誘電体デバイスの製造方法。
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