JP6708950B2

JP6708950B2 - 誘電体組成物

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Publication number: JP6708950B2
Application number: JP2016036542A
Authority: JP
Inventors: 満浅井; 康善齋藤; 凡子高木; 和田　賢介; 賢介和田; 景山　恭行; 恭行景山
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017154900A

Description

本発明は、誘電体組成物に関し、さらに詳しくは、ＢａＴｉＯ₃系粒子とガラスマトリックスとを主成分とする誘電体組成物に関する。

コンデンサは、２枚の電極の間に誘電体を挿入したものであり、その静電容量は、誘電体の比誘電率に比例する。コンデンサに使用される誘電体としては、例えば、セラミックス、プラスチック、絶縁油、マイカなどが知られている。特に、ＢａＴｉＯ₃は、比誘電率が大きいため、小型・大容量のコンデンサの誘電体には、主としてＢａＴｉＯ₃が用いられている。

ＢａＴｉＯ₃は、常温（２５℃）では正方晶であるが、結晶構造が正方晶（強誘電体）から立方晶（常誘電体）に変化するキュリー点（約１２５℃）を持ち、キュリー点では比誘電率が最も高くなる。そのため、ＢａＴｉＯ₃を用いたコンデンサは、キュリー点近傍において静電容量が大きく変化する。また、ＢａＴｉＯ₃からなる緻密な焼結体を得るためには、１３００℃前後の高い焼結温度を必要とする。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、２５℃で立方晶の結晶構造を持つチタン酸バリウムに対して１〜１０質量部のＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｌｉ₂Ｏ系ガラスを加えて混合し、この混合物を９００〜１０００℃で焼結することにより得られる誘電体組成物が開示されている。
同文献には、
（ａ）焼結温度を１０００℃以下にすることによって、焼結後もチタン酸バリウムは室温において立方晶の結晶構造を持つ点、
（ｂ）ガラスの量を１〜１０質量部とすることにより、比誘電率が高く、かつ、ボイドの少ない誘電体磁器や誘電体層を形成することができる点、及び、
（ｃ）このようにして得られた誘電体磁器や誘電体層は明確なキュリー点を持たないために、静電容量のばらつきを抑制することができる点、
が記載されている。

ハイブリッド車やＥＶ車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）には、高出力化が求められており、半導体パワー素子の材料としてＳｉＣやＧａＮを用いることが検討されている。このような高出力のＰＣＵに用いられるコンデンサには、耐熱性（−４０℃〜２５０℃）、熱伝導性、及び耐電圧性（６５０Ｖ以上）が必要となる。さらに、ＰＣＵを低コスト化するには、これに用いられるコンデンサの低コスト化も求められている。
しかし、従来の誘電体組成物でこれらの条件をすべて満たすものは知られていない。例えば、ＢａＴｉＯ₃は、比誘電率、耐電圧性、及び耐熱性は高いが、緻密な焼結体を得るためには高い焼結温度が必要であるため、高コストである。また、焼結温度を下げるためにガラスと複合化させると、熱伝導率が低下する。

特開２００４−２０３６２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、比誘電率、耐電圧性、及び耐熱性に優れ、かつ、低コストな誘電体組成物を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、さらに熱伝導性にも優れた誘電体組成物を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ₃系粒子と
を備えていることを要旨とする。

前記誘電体組成物は、
前記マトリックス中に分散している高熱伝導粒子をさらに備え、
前記高熱伝導粒子は、前記ガラス及び前記ＢａＴｉＯ₃系粒子よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる
ものが好ましい。

ＢａＴｉＯ₃系粒子は、比誘電率及び耐電圧性に優れている。このようなＢａＴｉＯ₃系粒子を適度な融点を持つガラスマトリックス中に分散させると、耐熱性を著しく低下させることなく、低温での焼結が可能となる。また、ガラスマトリックス中に高熱伝導粒子をさらに分散させると、高熱伝導粒子無添加の場合と比べて熱伝導率が向上する。

３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す図である。３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す図である。３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す図である。３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−４０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）である。

５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す図である。５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す図である。５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す図である。５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−２０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）である。

ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す図である。３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−７０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）である。２０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−８０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）である。５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−５０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）である。

ＢａＴｉＯ₃−リン酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−リン酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量とｔａｎδとの関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−ビスマス酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−ビスマス酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量とｔａｎδとの関係を示す図である。

ＢａＴｉＯ₃−鉛入り系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−鉛入り系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量とｔａｎδとの関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−ヴァナジウム系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す図である。ＢａＴｉＯ₃−ヴァナジウム系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量とｔａｎδとの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．誘電体組成物（１）］
本発明の第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ₃系粒子と
を備えている。

［１．１．ガラス］
［１．１．１．融点］
誘電体組成物のマトリックスは、融点が所定の範囲にあるガラスからなる。ガラスの融点が低すぎると、誘電体組成物の耐熱性が低下する。従って、ガラスの融点は、４００℃以上である必要がある。融点は、好ましくは、４５０℃以上、更に好ましくは、５００℃以上である。
一方、ガラスの融点が高すぎると、焼結温度が高くなり、製造コストが増大する。また、ガラスの組成によっては、ガラスとＢａＴｉＯ₃系粒子とが反応し、ガスが発生してポアができる場合がある。従って、ガラスの融点は、８５０℃以下である必要がある。融点は、好ましくは、７００℃以下、さらに好ましくは、６００℃以下である。

［１．１．２．ガラスの組成］
ガラスの組成は、上述した条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。例えば、ガラスは、非晶質であっても良く、あるいは、熱処理によって結晶を析出させた結晶化ガラスでも良い。また、ガラスは、非鉛ガラスであっても良く、あるいは、鉛入りガラスであっても良い。

マトリックスを構成するガラスとしては、例えば、
（ａ）ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ−ＳｒＯ−ＺｒＯ（Ｒは、アルカリ金属。以下同じ）などのホウケイ酸塩系ガラス、
（ｂ）ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｂｉ₂Ｏ₃−ＺｎＯなどのビスマス酸塩系ガラス、
（ｃ）Ｐ₂Ｏ₅−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ−ＺｎＯなどのリン酸塩系ガラス、
（ｄ）Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＺｒＯ₂などの鉛入り系ガラス、
（ｅ）ヴァナジウム系ガラス、
などがある。
これらの中でも、マトリックスを構成するガラスは、ホウケイ酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス、又はリン酸塩系ガラスが好ましい。これらのガラスは、有害元素（Ｐｂ）を含まず、かつ、これをマトリックスとして用いた時に高い誘電特性が得られる。マトリックスを構成するガラスは、特に、ホウケイ酸塩系ガラスが好ましい。これは、ＢａＴｉＯ₃とガラスの反応性が低く、焼結温度の範囲を広く取れるためである。

［１．２．ＢａＴｉＯ₃系粒子］
［１．２．１．ＢａＴｉＯ₃系粒子の組成］
マトリックス中には、ＢａＴｉＯ₃系粒子が分散している。
本発明において、「ＢａＴｉＯ₃系粒子」とは、
（ａ）ＢａＴｉＯ₃からなる粒子、又は、
（ｂ）ＢａＴｉＯ₃のＢａサイトの一部及び／又はＴｉサイトの一部が他の元素Ｍで置換された化合物からなる粒子
をいう。

ＢａＴｉＯ₃系粒子が元素Ｍを含む場合、元素Ｍの種類及び含有量は、特に限定されるものではなく、誘電体組成物に要求される特性などに応じて、最適なものを選択することができる。最適な含有量（元素Ｍが占有するサイトに占める元素Ｍの割合）は、元素Ｍの種類などにより異なるが、通常、０．１ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％程度である。
元素Ｍとしては、例えば、誘電体組成物の絶縁破壊電圧を向上させる作用があるＭｎ、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉなどがある。

［１．２．２．ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径］
ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径は、誘電体組成物の誘電特性に影響を与える。
ここで、「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法により測定される粒子のメディアン径をいう。後述する高熱伝導粒子及びガラス粒子の平均粒径も同様である。

一般に、ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、２００ｎｍ以上である。
一方、ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、気孔率が増大し、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径は、５００ｎｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３００ｎｍ以下である。

［１．３．誘電体組成物（１）の組成］
第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、次の式（１）及び式（２）の関係を満たしているのが好ましい。
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ)≦５０ｖｏｌ％・・・（１）
５０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ)≦９０ｖｏｌ％・・・（２）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ₃の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積。

［１．３．１．ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量］
式（１）は、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラスは、ＢａＴｉＯ₃系粒子に比べて比誘電率が小さい。そのため、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、好ましくは、２０ｖｏｌ％以上、さらに好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量が過剰になると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、好ましくは、４０ｖｏｌ％以下である。

［１．３．２．ガラスの含有量］
式（２）は、ガラスの含有量の許容範囲を表す。ガラスの含有量が少なすぎると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ガラスの含有量は、５０ｖｏｌ％以上が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、６０ｖｏｌ％以上である。
一方、ガラスの含有量が過剰になると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ガラスの含有量は、９０ｖｏｌ％以下が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、８０ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、７０ｖｏｌ％以下である。

［１．３．３．不純物の含有量］
第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、ＢａＴｉＯ₃系粒子及びガラスのみからなるものが好ましいが、これら以外の成分（不純物）が含まれていても良い。しかし、不純物の含有量が過剰になると、誘電体組成物の誘電体特性が低下する場合がある。従って、不純物の含有量は、５ｖｏｌ％以下が好ましい。不純物の含有量は、好ましくは、３ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、１ｖｏｌ％以下である。
ここで、「不純物の含有量」とは、誘電体組成物に含まれるすべての成分（気孔を除く）の総体積に対する不純物の体積の割合をいう。

［１．４．気孔率］
誘電体組成物に含まれる気孔は、絶縁破壊強度を低下させる原因となる。従って、誘電体組成物の気孔率は、小さいほどよい。高い絶縁破壊強度を得るためには、気孔率は、５ｖｏｌ％以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、３ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、１ｖｏｌ％以下である。
ここで、「気孔率」とは、誘電体組成物の全体積に占める気孔の体積の割合をいう。

［２．誘電体組成物（２）］
本発明の第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ₃系粒子と、
前記マトリックス中に分散している高熱伝導粒子と、
を備えている。

［２．１．ガラス］
ガラスの詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［２．２．ＢａＴｉＯ₃系粒子］
ＢａＴｉＯ₃系粒子の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［２．３．高熱伝導粒子］
［２．３．１．高熱伝導粒子の組成］
「高熱伝導粒子」とは、ガラス及びＢａＴｉＯ₃系粒子よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる粒子をいう。高熱伝導材料の熱伝導率は、高いほど良い。
また、誘電体組成物の比誘電率の低下を抑制するためには、高熱伝導材料の比誘電率は、少なくともガラスの比誘電率以上が好ましい。

高熱伝導材料は、上述の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。高熱伝導材料としては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素、酸化マグネシウムなどがある。
これらの中でも、窒化アルミニウム、アルミナ、及びサファイアは、高い熱伝導率と、ガラスよりも高い比誘電率を持つので、高熱伝導材料として好適である。

［２．３．２．平均粒径］
高熱伝導粒子の平均粒径は、誘電体組成物の熱伝導率及び比誘電率に影響を与える。一般に、高熱伝導粒子の平均粒径が小さくなるほど、少量の添加で誘電体組成物内に熱伝導パスが形成されやすくなるので、比誘電率の低下を抑制することができる。このような効果を得るためには、高熱伝導粒子の平均粒径は、２μｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、１μｍ以下である。
一方、高熱伝導粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、目的とする熱伝導度を得るのに必要な高熱伝導粒子の量が多くなり、緻密化が阻害される。従って、高熱伝導粒子の平均粒径は、２００ｎｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３００ｎｍ以上、さらに好ましくは、５００ｎｍ以上である。

［２．３．３．粒子形状］
高熱伝導粒子の粒子形状は、誘電体組成物の熱伝導率及び比誘電率に影響を与える。高熱伝導粒子は、等軸状粒子でもよい。しかし、高熱伝導粒子のアスペクト比が大きくなるほど、少量の添加で誘電体組成物内に熱伝導パスが形成されやすくなるので、比誘電率の低下を抑制することができる。このような効果を得るためには、高熱伝導粒子のアスペクト比は、２以上が好ましい。アスペクト比は、好ましくは、３以上である。

［２．４．誘電体組成物（２）の組成］
第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、次の式（３）〜式（５）の関係を満たしているのが好ましい。
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％・・・（３）
１０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％・・・（４）
２０ｖｏｌ％≦ｚ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦６０ｖｏｌ％・・・（５）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ₃の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積、
ｚは、前記誘電体組成物に含まれる高熱伝導粒子の体積。

［２．４．１．ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量］
式（３）は、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラス及び高熱伝導粒子は、ＢａＴｉＯ₃系粒子に比べて比誘電率が小さい。そのため、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量が過剰になると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ₃系粒子の含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。

［２．４．２．ガラスの含有量］
式（４）は、ガラスの含有量の許容範囲を表す。ガラスの含有量が少なすぎると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ガラスの含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、２０ｖｏｌ％以上である。
一方、ガラスの含有量が過剰になると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ガラスの含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、４０ｖｏｌ％以下である。
なお、ガラス及び高熱伝導粒子の比誘電率は、ＢａＴｉＯ₃系粒子に比べて格段に小さい。そのため、第１の実施の形態に比べてガラスの含有量が少ない場合であっても、ガラスと高熱伝導粒子の総含有量が適切な範囲にある時には、絶縁破壊強度の低下を抑制することができる。

［２．４．３．高熱伝導粒子の含有量］
式（５）は、高熱伝導粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラス及びＢａＴｉＯ₃系粒子は、高熱伝導粒子に比べて熱伝導率が小さい。そのため、高熱伝導粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の熱伝導率の向上が不十分となる。従って、高熱伝導粒子の含有量は、２０ｖｏｌ％以上が好ましい。熱伝導粒子の含有量は、好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、高熱伝導粒子の含有量が過剰になると、気孔率が増大し、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、高熱伝導粒子の含有量は、６０ｖｏｌ％以下が好ましい。高熱伝導粒子の含有量は、好ましくは、５０ｖｏｌ％以下である。

［２．４．４．不純物の含有量］
第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、ＢａＴｉＯ₃系粒子、ガラス及び高熱伝導粒子のみからなるものが好ましいが、これら以外の成分（不純物）が含まれていても良い。不純物の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［２．５．気孔率］
気孔率の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［３．誘電体組成物の製造方法］
本発明に係る誘電体組成物は、
（ａ）所定の組成となるように原料を混合し、
（ｂ）混合物を所定の形状に成形し、
（ｃ）成形体を所定の温度で加熱する
ことにより製造することができる。

［３．１．混合工程］
まず、所定の組成となるように原料を混合する（混合工程）。原料の混合方法及び混合条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を用いることができる。

マトリックスの原料には、ガラス粉末が用いられる。ガラス粉末の粒径が大きすぎると、マトリックス中にＢａＴｉＯ₃系粒子及び高熱伝導粒子を均一に分散させるのが困難となる。従って、ガラス粉末の平均粒径は、５μｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３μｍ以下である。
一方、ガラス粉末の平均粒径を必要以上に小さくすると、効果が飽和するだけでなく、製造コストの増大を招く。従って、ガラス粉末の平均粒径は、０．５μｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、１μｍ以上である。

本発明においては、従来より低温において焼結が行われるため、ＢａＴｉＯ₃系粒子及び高熱伝導粒子は、焼結時にほとんど粒成長しない。すなわち、原料粉末の平均粒径は、誘電体組成物中に含まれる粒子の平均粒径にほぼ等しい。各粒子の平均粒径の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

［３．２．成形工程］
次に、原料粉末の混合物を所定の形状に成形する（成形工程）。混合物の成形方法及び成形条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を選択することができる。成形方法としては、例えば、スクリーン印刷法、シート成形法、金型プレス法などがある。

［３．３．焼結工程］
次に、成形体を所定の温度で加熱する（焼結工程）。焼結方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。例えば、スクリーン印刷法を用いて成形体を作製した場合、焼結方法は常圧焼結法が好ましい。一方、シート成形法又は金型プレス法を用いて成形体を作製した場合、焼結方法は加圧焼結法が好ましい。
また、高熱伝導粒子を含む誘電体組成物の場合、緻密化しにくいので、焼結方法として加圧焼結法を用いるのが好ましい。

焼結温度は、ガラスの融点（Ｔ_m）以上が好ましい。成形体をＴ_m以上の温度に加熱すると、ガラスが溶融して均一なマトリックスが形成されると同時に、粒子間の空隙にガラスが進入し、緻密化する。焼結温度は、好ましくは、Ｔ_m＋３０℃以上である。
一方、焼結温度が高すぎると、ガラスとＢａＴｉＯ₃との反応により、ポアが生成しやすくなる。従って、焼結温度は、Ｔ_m＋１００℃以下が好ましい。焼結温度は、好ましくは、Ｔ_m＋５０℃以下である。

［４．作用］
ＢａＴｉＯ₃系粒子は、比誘電率及び耐電圧性に優れている。このようなＢａＴｉＯ₃系粒子を適度な融点を持つガラスマトリックス中に分散させると、耐熱性を著しく低下させることなく、低温での焼結が可能となる。
ハイブリッド車やＨＶ車のＰＣＵの使用温度は、３００℃以下である。本発明においては、マトリックスとして低融点のガラスを用いているが、その融点は４００〜８５０℃であるため、ＰＣＵに使用可能な程度の耐熱性を備えている。

また、ガラスの熱伝導率は０．７５Ｗ／ｍ・Ｋ程度、ＢａＴｉＯ₃系粒子のそれは６Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。そのため、ガラスとＢａＴｉＯ₃系粒子のみからなる誘電体組成物では、熱伝導性が不十分となる場合がある。これに対し、このような誘電体組成物に対して、比誘電率がガラスと同等以上の高熱伝導粒子をさらに複合化すると、比誘電率を低下させることなく、高熱伝導粒子無添加の場合と比べて熱伝導性が向上する。そのため、本発明に係る誘電体組成物を用いると、高耐熱性、高耐電圧、及び高熱伝導性に優れたコンデンサを創製することができる。

（実施例１）
［１．試料の作製］
出発原料には、ホウケイ酸塩系ガラス粉末、ＢａＴｉＯ₃粉末、及びＡｌＮ粉末を用いた（表１参照）。ＢａＴｉＯ₃粉末の量が３０ｖｏｌ％一定であり、ＡｌＮ粉末の量が０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、又は６０ｖｏｌ％であり、残部が非晶質のホウケイ酸塩系ガラス粉末からなる４水準の試料を作製した。

所定量のガラス粉末、ＢａＴｉＯ₃粉末、及びＡｌＮ粉末をポリポットに入れた。さらに、その中にジルコニアボールとエタノールを入れ、ボールミルで４時間混合した。混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、２５０メッシュの篩でふるい、混合粉を得た。その混合粉を金型プレスにて、φ１３ｍｍ、厚さ１ｍｍのペレットに成形した。そのペレットを焼成温度：５５０℃、保持時間：３０分で加圧焼結し、焼結体を得た。

［２．試験方法］
得られた焼結体の表面に外部電極となる銀ペーストを焼き付けた。銀ペーストは、樹脂硬化型であり、スクリーン印刷で印刷した。焼き付け条件は、温度：１５０℃、保持時間：３０分とした。作製した試料の比誘電率、ｔａｎδ、及び熱伝導率を測定した。比誘電率及びｔａｎδの測定には、インピーダンスアナライザーを用いた。また、熱伝導率の測定には、熱伝導率測定装置（レーザーフラッシュ法）を用いた。さらに、得られた焼結体のＳＥＭ観察を行った。

［３．結果］
［３．１．誘電特性］
図１に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す。加圧焼結法により焼結体を作製した場合において、ＡｌＮ粒子を含まない時には、比誘電率は３１であった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、比誘電率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って小さくなり、ＡｌＮ量４０ｖｏｌ％で１７．５であった。
図２に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す。ｔａｎδは、ＡｌＮの有無に関係なく、０．０２以下と小さかった。

［３．２．熱伝導特性］
図３に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す。ＡｌＮ粒子を含まない場合、熱伝導率は０．６Ｗ／ｍ・Ｋであった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、熱伝導率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って大きくなった。ＡｌＮ量が４０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は最大値：１．５５Ｗ／ｍ・Ｋとなり、ＡｌＮ無添加の試料に比べて約２．６倍となった。

［３．３．組織］
図４に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−４０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図４より、ガラスマトリックス中にＢａＴｉＯ₃粒子とＡｌＮ粒子が均一に分散していることがわかる。また、ＢａＴｉＯ₃とＡｌＮの粒界にガラスが点在しており、ガラスによってＢａＴｉＯ₃とＡｌＮが固着されていることがわかる。

（実施例２）
［１．試料の作製］
実施例１と同様にして、ＢａＴｉＯ₃粉末の量が５０ｖｏｌ％一定であり、ＡｌＮ粉末の量が０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、又は４０ｖｏｌ％であり、残部が非晶質のホウケイ酸塩系ガラス粉末からなる３水準の試料を作製した。
［２．試験方法］
実施例１と同様にして、比誘電率、ｔａｎδ、及び熱伝導率の測定、並びに、ＳＥＭ観察を行った。

［３．結果］
［３．１．誘電特性］
図５に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す。加圧焼結法により焼結体を作製した場合において、ＡｌＮ粒子を含まない時には、比誘電率は５５であった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、比誘電率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って小さくなった。
図６に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す。ｔａｎδは、ＡｌＮの有無に関係なく、０．０２５以下と良好であった。

［３．２．熱伝導特性］
図７に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す。ＡｌＮ粒子を含まない場合、熱伝導率は０．７Ｗ／ｍ・Ｋであった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、熱伝導率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って大きくなった。ＡｌＮ量が２０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は１．１Ｗ／ｍ・Ｋとなった。また、ＡｌＮ量が４０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は１．１７Ｗ／ｍ・Ｋとなり、ＡｌＮ無添加の試料に比べて約１．７倍となった。

［３．３．組織］
図８に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−２０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図８より、ガラスマトリックス中にＢａＴｉＯ₃粒子及びＡｌＮ粒子が均一に分散していることがわかる。

（参考例３）
［１．試料の作製］
ＢａＴｉＯ₃粉末の量を０〜６０ｖｏｌ％、ＡｌＮ粉末の量を０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして混合粉を得た。この混合粉をスクリーン印刷法を用いて成形体とし、成形体を常圧焼結した。
［２．試験方法］
実施例１と同様にして、比誘電率の測定、及びＳＥＭ観察を行った。

［３．結果］
図９に、ＢａＴｉＯ₃−ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ₃量と比誘電率との関係を示す。なお、図９には、加圧焼結法により得られた焼結体（実施例１、２）の結果も併せて示した。
加圧焼結体の場合、ほぼ対数混合則に対応する比誘電率を示した。一方、常圧焼結体の場合、ＢａＴｉＯ₃量が３０ｖｏｌ％までは、対数混合則と一致した。しかし、それ以上では対数混合則から外れた。要因の一つとして、スクリーン印刷法＋常圧焼結法では、ＢａＴｉＯ₃量が高くなると、ガラスによる固着が低くなり、ポアが増えるためと考えられる。

図１０に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−７０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）を示す。図１１に、２０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−８０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）を示す。さらに、図１２に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ₃−５０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図１０〜図１２より、ＢａＴｉＯ₃量が５０ｖｏｌ％になると、ポアが若干増加していることがわかる。

（参考例４）
［１．試料の作製］
出発原料には、４種類のガラス粉末、及びＢａＴｉＯ₃粉末を用いた。ＢａＴｉＯ₃粉末の量は、１０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、又は３０ｖｏｌ％とした。ガラス粉末には、
（ａ）リン酸塩系ガラス（非晶質）：Ｐ₂Ｏ₅−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ−ＺｎＯ、
（ｂ）ビスマス酸塩系ガラス（非晶質）：ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｂｉ₂Ｏ₃−ＺｎＯ、
（ｃ）鉛入りガラス（結晶質）：Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＺｒＯ₂、及び
（ｄ）ヴァナジウム系ガラス（主成分：Ｖ₂Ｏ₃）
を用いた。

所定量のガラス粉末及びＢａＴｉＯ₃粉末をポリポットに入れた。その中にジルコニアボール及びエタノールを入れ、ボールミルで４時間混合した。混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、２５０メッシュの篩でふるい、混合粉を得た。その混合粉とエチルセルロース（バインダ）を容器に所定量入れ、自転・公転ミキサーで混合し、ペーストを得た。そのペーストを用いてスクリーン印刷法により厚膜を印刷した。さらに、厚膜を焼結温度４５０℃、保持時間１０分の条件で常圧焼結し、焼結体を得た。

［２．試験方法及び結果］
実施例１と同様にして、比誘電率及びｔａｎδの測定を行った。図１３〜図２０に、その結果を示す。図１３〜図２０より、以下のことが分かる。
（１）リン酸塩系ガラス粉末を用いた焼結体の場合、比誘電率は、ＢａＴｉＯ₃の増加に伴って大きくなり、ほぼ対数混合則と一致した。ｔａｎδは、０．０６以下であった。
（２）ビスマス酸塩系ガラス粉末又は鉛入り系ガラス粉末を用いた焼結体の比誘電率及びｔａｎδは、リン酸塩系ガラス粉末を用いた焼結体と同様の傾向を示した。
（３）ヴァナジウム系ガラス粉末を用いた焼結体の場合、比誘電率の対数混合則からの乖離が大きく、ｔａｎδも若干高い。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る誘電体組成物は、ハイブリッド車やＨＶ車のＰＣＵに用いられるコンデンサの誘電体として使用することができる。

Claims

融点が４００℃以上８５０℃以下であるホウケイ酸塩系ガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ₃系粒子（前記ＢａＴｉＯ₃系粒子の表面がアルミナで被覆されているものを除く）と、
前記マトリックス中に分散している高熱伝導粒子と
を備え、残部が不純物からなり、
前記高熱伝導粒子は、窒化アルミニウムからなる誘電体組成物。
次の式（３）〜式（５）の関係を満たす請求項１に記載の誘電体組成物。
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％・・・（３）
１０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％・・・（４）
２０ｖｏｌ％≦ｚ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦６０ｖｏｌ％・・・（５）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ₃の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積、
ｚは、前記誘電体組成物に含まれる高熱伝導粒子の体積。
前記不純物の含有量が５ｖｏｌ％以下である請求項１又は２に記載の誘電体組成物。
気孔率が５ｖｏｌ％以下である請求項１から３までのいずれか１項に記載の誘電体組成物。
前記ＢａＴｉＯ₃系粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１から４までのいずれか１項に記載の誘電体組成物。