JP6777065B2 - 積層電子部品 - Google Patents

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Description

本発明は、外部電極が形成された積層電子部品に関する。
近年、電子機器内部に搭載された配線基板上に、セラミック電子部品などの電子部品が多数実装されるようになってきている。
従来、これらの電子部品の配線基板への実装には、Pbを含むはんだが一般的に使用されてきたが、近年、環境負荷を軽減する観点からSn−Ag−Cu系はんだを用いて電子部品の実装が行われてきている。あるいは、エポキシ系熱硬化性樹脂などの熱硬化性樹脂に金属フィラーなどの導電性微粒子を添加した導電性接着剤などを用いて電子部品の実装が行われてきている。
しかし、最近、研究開発が盛んに行われているSiCパワー半導体を用いたインバータ回路は、使用環境が200℃を超えることが想定されるため、これまで使用してきた接合材、例えば、Sn−Ag−Cu系はんだやエポキシ系熱硬化性樹脂にAgのフィラーを含有した導電性接着剤は耐熱性の観点で使用できない場合が多い。
このため、融点が高いAu系の高温はんだ、例えば、Au−Geはんだ、Au−Snはんだを用いることで、200℃〜250℃において安定した接合状態を実現するモジュールの高温特性評価が実施されている。
特許文献1には、導電性接着剤対応の積層セラミック部品の外部電極として、上層電極層をPdまたはPd−Ni合金とし、中間電極層であるNiの端面と側面の厚み制御する技術が開示されている。この公報には、Agのマイグレーションを防止し、実装時における導電性接着剤の滲み出しや、外部電極間における接触による短絡不良が発生しにくい積層セラミック電子部品を提供する旨が記載されている。
特開2015−29050号公報
しかしながら、特許文献1では、接合する際の温度が300℃〜400℃のAu系のはんだを用いる場合、Niの側面の厚みが厚いため、接合時に下地電極層のCuが剥離し易いという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、はんだの接合温度300℃〜400℃において、下地電極層の剥離を防止することが可能な積層電子部品を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために鋭意検討を行い、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る積層電子部品は、第1軸および第2軸を含む平面に実質的に平行なセラミック層と内部電極層とが第3軸の方向に沿って交互に積層されたセラミック素体と、
前記セラミック素体の第1軸の方向に相互に向き合う一対の端面に形成された外部電極と、を有する積層電子部品であって、
前記外部電極は、
前記内部電極層の少なくとも一部と電気的に接続するように前記セラミック素体の端面に直接に形成された下地電極層と、
前記下地電極層の外面に形成された中間電極層と、
前記中間電極層の外面に形成された上層電極層と、を有し、
前記中間電極層はNiを含み、
前記上層電極層はPdまたはAuを含み、
前記外部電極は、
前記セラミック素体の前記第1軸の方向に相互に向き合う端面を覆う外部電極端面部と、
前記セラミック素体の前記第2軸の方向に相互に向き合う側面の一部および前記セラミック素体の前記第3軸の方向に相互に向き合う主面の一部を覆う外部電極延長部と、を一体的に有し、
前記外部電極延長部に形成された前記中間電極層の最大厚みをT1とし、
前記外部電極端面部に形成された前記中間電極層の最大厚みをT2としたとき、
前記T1および前記T2の関係は0.75≦T1/T2<1.00である積層電子部品。
上記の特徴を有することで、はんだの接合温度300℃〜400℃において、下地電極層の剥離を防止することが可能な積層電子部品を提供できる。
好ましくは、前記積層電子部品の前記T1および前記T2の関係は0.80≦T1/T2≦0.95である。
図1は、本発明の一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。 図2は、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの外部電極の断面図である。
まず、本発明の一実施形態として、積層セラミックコンデンサについて説明する。図1に、一般的な積層セラミックコンデンサの断面図を示す。
積層セラミックコンデンサ1は、X軸およびY軸を含む平面に実質的に平行なセラミック層2と内部電極層3とを有し、セラミック層2と内部電極層3がZ軸の方向に沿って交互に積層されたセラミック素体10を有する。
ここで、「実質的に平行」とは、ほとんどの部分が平行であるが、多少平行でない部分を有していても良いことを意味し、セラミック層2と内部電極層3は、多少、凹凸があったり傾いていたりしてもよいという趣旨である。
セラミック素体10の形状に特に制限はないが、外形寸法(L0、W、T寸法)が、3.2mm×1.6mm×1.6mm形状より大きいことが好ましい。外形寸法が大きいほど、下地電極層の剥離を防止する効果が高まる。
内部電極層3は、各端部がセラミック素体10の対向する2端面の表面に交互に露出するように積層してある。一対の外部電極4は、セラミック素体10の両端面に形成され、交互に配置された内部電極層3の露出端に接続されて、コンデンサ回路を構成する。
セラミック層2の厚みは、特に限定されないが、一層あたり100μm以下であることが好ましく、より好ましくは30μm以下である。厚みの下限は、特に限定されないが、たとえば0.5μm程度である。
セラミック層2の積層数は、特に限定されないが、好ましくは20以上であり、より好ましくは50以上である。
セラミック層2の材料としては、例えば、BaTiO、CaTiO、SrTiO、CaZrO、(K1−xNa)SrNb15、BaTiNb15などの主成分からなる誘電体セラミックを用いることができる。また、これらの主成分にMn化合物、Mg化合物、Cr化合物、Co化合物、Ni化合物、希土類元素、Si化合物、Li化合物などの副成分を添加したものを用いてもよい。そのほか、PZT系セラミックなどの圧電体セラミック、スピネル系セラミックなどの半導体セラミック、フェライトなどの磁性体セラミックなどを用いることもできる
内部電極層3に含有される導電材は特に限定されないが、Ni、Ni系合金、CuまたはCu系合金が好ましい。なお、Ni、Ni系合金、CuまたはCu系合金中には、P等の各種微量成分が0.1質量%程度以下含まれていてもよい。また、内部電極層3は、市販の電極用ペーストを使用して形成してもよい。内部電極層3の厚みは用途等に応じて適宜決定すればよい。
より好ましくは、内部電極層3に含有される導電材は、セラミック層2の構成材料が耐還元性を有するため、NiまたはNi系合金である。このNiまたはNi系合金を主成分とし、これにAl、Si、Li、Cr、Feから選択された1種類以上の内部電極用副成分を含有していることがさらに好ましい。
内部電極層3の主成分であるNiまたはNi系合金にAl、Si、Li、Cr、Feから選択された1種類以上の内部電極用副成分を含有させることで、Niが大気中の酸素と反応しNiOになる前に、内部電極用副成分と酸素が反応し、Niの表面に内部電極用副成分の酸化膜を形成する。すなわち、外気中の酸素が内部電極用副成分の酸化膜を通過しないとNiと反応できなくなるため、Niが酸化され難くなる。その結果、250℃の高温下で連続使用しても、Niを主成分とする内部電極層の酸化による連続性の劣化が起り難くなるとともに、導電性の劣化が起り難くなる。
図2に示すように、本実施形態の外部電極4は、セラミック素体10のX軸方向の両端面10aに形成される外部電極端面部4aと、セラミック素体10のY軸方向の両側面のX軸方向の両端部およびセラミック素体10のZ軸方向の両主面のX軸方向の両端部を覆う外部電極延長部4bと、を一体的に有する。
本実施形態の外部電極4は、内部電極層3の少なくとも一部と電気的に接続するようにセラミック素体10の端面10aに直接に形成された下地電極層40と、下地電極層40の外面に形成された中間電極層41と、中間電極層41の外面に形成された上層電極層43と、を有する。
図2では、一方の外部電極4について示してあるが、他方の外部電極においても、同様の構成を有している。
下地電極層40は、ガラス成分と金属成分とを含む。下地金属層40に用いられる金属としては、例えば、Cu,Ag,Pd,Ag−Pd合金,Auなどを用いることができる。
下地電極層40の厚みは、実装時の下面側(例えば、セラミック素体10の主面側)において、5μm〜25μmであることが好ましい。
中間電極層41は、Niを含み、好ましくは、Niめっきによって形成される。Niめっきを形成することにより、中間電極層41上に形成される上層電極層43をPdまたはAuめっき浴に浸漬しても、上層電極層43用のPdまたはAuめっき浴に下地電極層40が溶け込まないようにすることができる。なお、中間電極層41には、P、B等が含まれても良い。
また、中間電極層41として、Niめっきを形成することにより、下地電極層40の表面の凹凸部分やガラス成分の偏析部分などのめっき付きの悪い部分を覆うことができ、その表面を平滑にすることができる。このため、上層電極層43のつき回りをよくすることが可能となる。
外部電極延長部4bに形成される中間電極層41bの最大厚みをT1とし、外部電極端面部4aに形成される中間電極層41aの最大厚みをT2としたとき、T1およびT2の関係は、0.75≦T1/T2<1.00となる。これにより、下地電極層40に係る応力を軽減することができる。このため、積層セラミックコンデンサ1の下地電極層40の300℃以上での剥離不良を防ぐことが可能となる。したがって、積層セラミックコンデンサ1をAu系のはんだによって配線基板に実装する際に、接続不良の発生しにくい積層セラミックコンデンサ1を得ることが可能となる。
外部電極延長部4bに形成される中間電極層41bの最大厚み(T1)の箇所は、図2において1/2Lとして示されている外部電極延長部4bの中央部でも良いし、外れていても良い。
外部電極端面部4aに形成される中間電極層41aの最大厚み(T2)の箇所は、外部電極端面部4aの中央部でも良いし、外れていても良い。
なお、図2に示すように、外部電極延長部の中間電極層41bは、X軸方向に沿って、外部電極延長部4bの中央側の端まで途切れずに連続している。
外部電極端面部4aに形成される中間電極層41aの厚みは、5μm〜20μmであることが好ましい。また、外部電極延長部4bに形成される中間電極層41bの厚みは、3〜15μmであることが好ましい。
上層電極層43は、PdまたはAuを含み、Pdめっき、Auめっき、またはAu−Pd−Ni合金、Au−Pd合金膜によって形成されることが好ましい。上層電極層43が外部電極4の最外層である場合、外部電極4の最外層をPdめっき、Auめっき、またはAu−Pd−Ni合金またはAu−Pd合金膜で形成することにより、配線基板に実装するためのAu系のはんだ材と電気的接合の信頼性を確保することができる。なお、上層電極層43のめっきとしてSn等の卑金属を使用していると、ガルバニック腐食や酸化の問題で、接合信頼性を得にくい。
上層電極層43の厚みは、0.5μm〜5.0μmであることが好ましい。
本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、外部電極延長部4bに形成される中間電極層41aの厚みT1が、外部電極端面部4aに形成される中間電極層41bの厚みT2より小さく形成されるため、基板実装面における外部電極4の厚みを小さくすることができる。
本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、外部電極延長部4bの中間電極層41aの厚みT1と外部電極端面部4aの中間電極層41bの厚みT2との比率を所定の範囲内とすることにより、外部電極4の応力によるセラミック素体10へのクラックの発生を抑制することができる。したがって、短絡不良の生じにくい積層セラミックコンデンサを得ることができる。
また、本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、接合温度300℃〜400℃において、下地電極層40に係る応力を軽減することができ、下地電極層40の剥離を防止できる。したがって、積層セラミックコンデンサ1をAu系のはんだによって配線基板に実装する際に、接続不良が発生しにくい。
このため、本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、−55℃の低温領域から150℃程度の領域での使用が求められる車載用途の電子部品や、さらにより高温の250℃程度の領域まで求められているSiCやGaN系の半導体を用いたパワーデバイス用のスナバコンデンサや、自動車のエンジンルーム内のノイズ除去に用いるコンデンサ等に用いることができる。
次に、図1示す積層セラミックコンデンサ1の製造方法の一例を説明する。
図1に示すような積層セラミックコンデンサ1を製造するために、セラミック素体10を構成するためのセラミック材料を含むセラミックグリーンシートが準備される。
セラミック材料としては、BaTiO、CaTiO、SrTiO、CaZrO、(K1−xNa)SrNb15、BaTiNb15などの主成分からなるセラミック材料を用いることができる。
次に、セラミックグリーンシート上に、導電性ペーストを塗布して、内部電極層3に対応する導電パターンが形成される。導電性ペーストの塗布は、例えば、スクリーン印刷法などの各種印刷法により行うことができる。導電性ペーストは、導電性微粒子の他に、公知のバインダや溶剤を含んでいてもよい。導電性微粒子としては、Ni、Ni系合金、CuまたはCu系合金を使用できる。
導電パターンが形成されていない複数のセラミックグリーシート、導電パターンが形成されたセラミックグリーンシート、および導電パターンが形成されていない複数のセラミックグリーンシートがこの順で積層され、積層方向にプレスすることにより、マザー積層体が作製される。
マザー積層体上の仮想のカットラインに沿ってマザー積層体をカットすることにより、複数のグリーンのセラミック素体が作製される。なお、マザー積層体のカッティングは、ダイシングや押切りにより行うことができる。さらに、グリーンのセラミック素体に対してバレル研磨などを施し、稜線部や角部を丸めてもよい。
グリーンのセミック素体を焼成することにより、セラミック素体10が得られる。このときの焼成温度は、例えば、1100℃〜1400℃とすることができる。
焼成後のセラミック素体10の両端面からセラミック素体10の両主面および両側面にかかるようにして、ディッピング、印刷工法などの方法により金属ペーストを塗布し、焼き付けることにより、下地電極層40が形成される。金属ペーストの焼付け温度は、700〜900℃であることが好ましい。
下地電極層40上に、中間電極層41が形成される。中間電極層41の形成方法は特に限定されず、バレルめっき、スパッタ法により形成される。
以下では、バレルめっきによる中間電極層41の形成方法を説明する。
充填されるセラミック素体10と金属メディアの総量に対するセラミック素体10の配合量が40%以下となるようにして、バレル容器の1/3以下充填する。このように、バレル容器へのセラミック素体10の充填量を少なくすることで、外部電極延長部4bの中間電極層41bの厚みを小さくすることができる。なお、この時のセラミック素体10には、下地電極層40が形成されている。
この状態で、バレル容器を20rpm以上の中速で回転させると、バレル内においてセラミック素体10がX軸方向に平行に整列したままめっきされる確率が低くなり、セラミック素体10の主面および側面におけるめっき付着量が少なくなる。このため、外部電極端面部4aの中間電極層41aに対する外部電極延長部4bの中間電極層41bの厚みを小さくすることができる。
さらに、中間電極層41上に、上層電極層43を形成することにより、積層セラミックコンデンサ1が作製される。 上層電極層43の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタ法により形成される。本実施形態では、外部電極4の上層電極層43としてPdめっき、Auめっき、Au−Pd−Ni合金またはAu−Pd合金が用いられているため、Au系はんだと良好な接合を形成する。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等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において種々に改変することができる。
以下、本発明の実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
積層セラミックコンデンサ用のセラミック素体10として、CaZrOを主成分とするかセラミック層2と、Niを含む内部電極層3とを有し、チップサイズL0×W×T=1.6mm×0.8mm×0.8mmのセラミック素体、チップサイズL0×W×T=3.2mm×1.6mm×1.6mmのセラミック素体、チップサイズL0×W×T=4.5mm×3.2mm×2.0mmのセラミック素体、チップサイズL0×W×T=5.7mm×5.0mm×2.0mmのセラミック素体、の異なるチップサイズの4種の積層セラミックコンデンサ用のセラミック素体10を準備した。各コンデンサ試料のチップサイズは表1に示す通りである。
焼成後のセラミック素体10の両端面からセラミック素体10の両主面および両側面にかかるようにして、ディッピングによりCuを含む金属ペーストを塗布し、焼き付けることにより、下地電極層40を形成した。金属ペーストの焼き付け温度は、700℃〜900℃とした。
下地電極層40の厚みは、外部電極端面部4aの中央部において20μm〜30μmであり、外部電極延長部4bにおいて5μm〜10μmであった。
次に、ワット浴を用いてメディアサイズ:φ1.0mm、めっき時間を30〜60分としてバレルめっきによりNiめっき層である中間電極層41を形成した。中間電極層41の厚みは、外部電極端面部4bの中央部において5μmであった。
上層電極層43をPdめっき層とする場合には、電解めっき用Pd浴を用いて、メディアサイズ:φ1.0mm、めっき時間10〜20分としてPdめっき層を形成した。
上層電極層43をAuめっき層とする場合は、無電解めっきで形成した。
上層電極層43をAu−Pd−Ni合金層とする場合は、Au−Pd−Ni合金を焼付けにより形成した。
上層電極層43をAu−Pd合金層とする場合は、Au−Pd合金を焼付けにより形成した。
また、上層電極層43の厚みは、外部電極端面部4aの中央部において0.5μm〜1.5μmであり、外部電極延長部4bにおいて0.5μm〜1.5μmであった。
表1に示すように、セラミック素体10のチップサイズと、外部電極延長部4bの中間電極層41bの厚みT1と外部電極端面部4aの中間電極層41aの厚みT2との比率を変えたコンデンサ試料(積層セラミックコンデンサ1)を作製した。
各コンデンサ試料を、Cuを含む第1、第2のランドが上面に形成されたSiからなる配線基板上にAu−Geはんだを用いて実装した。Au−Geはんだは、12wt%Geを含んだAu−Geはんだを用いた。第1、第2のランド上にAu−Geはんだを塗布し、その後、各コンデンサ試料を採取し、400℃の温度で30分加熱し、コンデンサ試料を配線基板に実装した。
表1の各コンデンサ試料について、試料のY軸方向に沿って、Z−X面に平行に、コンデンサ試料のY軸方向中央部まで断面研磨した。
次に、断面における片側の外部電極4の外部電極延長部4bに形成される中間電極層41bのうち、実装面側における外部電極延長部4bのX軸に沿う長さLの中央部(1/2L)における厚み(T1)(最大厚み)を光学顕微鏡によって測定した。また、および外部電極端面部4aに形成される中間電極層41aのうち、外部電極端面部4aの中央部における厚み(T2)(最大厚み)を光学顕微鏡によって測定した。これらのT1およびT2の比率を算出した。結果を表1に示す。
<下地電極剥がれ>
表1のコンデンサ試料について、下地電極剥がれの確認を行った。具体的には、100個のサンプルを樹脂埋め研磨し、下地電極と中間電極層との界面に剥がれがあるサンプルを不良であると判断し、その個数を調べた。結果を表1に示す。
<熱衝撃試験(熱衝撃サイクル試験)>
熱衝撃サイクル試験として、気槽−55℃での30分保持および気槽200℃での30分保持の繰り返しを2000サイクルと、気槽−55℃での30分保持および気槽250℃での30分保持の繰り返しを2000サイクル実施した20個のコンデンサ試料を準備した。なお、熱衝撃サイクル試験は、コンデンサ試料を配線基板に実装した状態にて行った。
熱衝撃サイクル試験実施後に、コンデンサ試料を基板実装面に対して垂直に、かつコンデンサ試料のY軸方向に沿って、Z−X面に平行に、コンデンサ試料のY軸方向中央部まで断面研磨した。
次に、研磨面を金属顕微鏡100〜500倍の倍率で観察して、外部電極端面部4aと外部電極延長部4bの境界部の縁部からセラミック素体へ進展しているクラックの有無を確認した。結果を表1に示す。
−55℃〜200℃の熱衝撃サイクル試験においては、2000サイクル後、クラック発生率0%であることが良好と判断した。
−55℃〜250℃の熱衝撃サイクル試験においては、2000サイクル後、クラック発生率20%以下であることが良好と判断した。
Figure 0006777065
表1より、T1およびT2の関係が0.75≦T1/T2<1.00を満たす場合(試料番号3〜8、11〜13、16〜18、21〜26)は、T1およびT2の関係が0.75≦T1/T2<1.00を満たさない場合(試料番号1、2、9、10、14、15、19および20)に比べて、下地剥がれの不良数および熱衝撃試験(−55℃〜200℃)の不良率が良好である(少ない)ことが確認できた。
1… 積層セラミックコンデンサ
2… セラミック層
3… 内部電極層
4… 外部電極
4a… 外部電極端面部
4b… 外部電極延長部
40… 下地電極層
41… 中間電極層
41a… 外部電極端面部の中間電極層
41b… 外部電極延長部の中間電極層
43… 上層電極層
10… セラミック素体
10a… セラミック素体の端面

Claims (1)

  1. 第1軸および第2軸を含む平面に実質的に平行なセラミック層と内部電極層とが第3軸の方向に沿って交互に積層されたセラミック素体と、
    前記セラミック素体の第1軸の方向に相互に向き合う一対の端面に形成された外部電極と、を有する積層電子部品であって、
    前記外部電極は、
    前記内部電極層の少なくとも一部と電気的に接続するように前記セラミック素体の端面に直接に形成された下地電極層と、
    前記下地電極層の外面に形成された中間電極層と、
    前記中間電極層の外面に形成された上層電極層と、を有し、
    前記下地電極層はCuを含む焼付電極であり、
    前記中間電極層はNiめっき層であり、
    前記上層電極層はPdまたはAuを含み、
    前記外部電極は、
    前記セラミック素体の前記第1軸の方向に相互に向き合う端面を覆う外部電極端面部と、
    前記セラミック素体の前記第2軸の方向に相互に向き合う側面の一部および前記セラミック素体の前記第3軸の方向に相互に向き合う主面の一部を覆う外部電極延長部と、を一体的に有し、
    前記外部電極延長部に形成された前記中間電極層の最大厚みをT1とし、
    前記外部電極端面部に形成された前記中間電極層の最大厚みをT2としたとき、
    前記T1および前記T2の関係は0.80≦T1/T2≦0.95である積層電子部品。
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