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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(調製粉の作製)
表1に示す各組成となるように、BaTiO3、Bi2O3、ZnO、Mn3O4、CuO、BaCO3、TiO2、Nb2O5、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、Bi2O3:5μm、ZnO:5μm、Mn3O4:5μm、CuO:5μm、BaCO3:1μm、TiO2:1μm、Nb2O5:5μm、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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。B2O3については、検出限界以下のため、0wt%と表記した。
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、Bi2O3、ZnO、Mn3O4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、Bi2O3、ZnO、Mn3O4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、Bi2O3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、Mn3O4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、Bi2O3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、Bi2O3、ZnO、Mn3O4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。
Claims (16)
- 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 O 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 O 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。 - 前記誘電体磁器組成物は、ZrO2、SnO2、Nb2O5、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。
- SnO2、ZrO2、Nb2O5、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Nb2O5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。
- 誘電正接tanδが0.05以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物。
- 請求項1〜4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。 - 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。 - 前記混合粉は、Bi2O3、ZnO、Mn3O4、ZrO2、SnO2、Nb2O5、SrTiO3からなる群より選ばれる1以上を含む、請求項6に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 前記混合粉は、Bi2O3、ZnO及びMn3O4を含む、請求項6又は7に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 前記混合粉は、Bi2O3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、Mn3O4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6〜8のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 前記混合粉は、SnO2、ZrO2、Nb2O5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Nb2O5の含有量は1.0質量%以下である、請求項6〜9のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 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6〜10のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 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6〜11のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 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6〜12のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 前記調製粉は、さらに、SrTiO3を含む、請求項6〜13のいずれか1項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
- 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。 - 前記混合粉は、Bi 2 O 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 O 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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