JP6797621B2 - 積層セラミックキャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層セラミックキャパシタ及びその製造方法に関する。

積層セラミックキャパシタは、多様な電子製品に用いられており、最近は、高い信頼性を求める技術分野の多くの機能が電子化され、ニーズが増加するにつれて、これに符合するように積層セラミックキャパシタにも高い信頼性が求められる。

積層セラミックキャパシタの信頼性が向上するためには構造的な安定性が確保される必要があり、このために、積層セラミックキャパシタを構成するセラミック本体や内部電極などに生じる欠陥が最小化しなければならない。

積層セラミックキャパシタの本体や内部電極などに欠陥が生成される要因は多様であるが、そのうちの代表的なものは内部電極及び本体を成す物質の焼結温度が異なるために発生する焼結力の差異である。即ち、内部電極及び本体は、それぞれ金属とセラミックを主成分とするが、焼成過程で内部電極が先に焼結され、その後、セラミックが焼結される。これにより、内部電極を中心に焼結温度を合わせる場合、カバーまたはサイドマージン領域には、未焼成によるポア（ｐｏｒｅ）などの欠陥が増加するという問題がある。反対に、セラミック物質に焼結温度を合わせる場合、内部電極が過焼成されて電極の玉化現象が発生する可能性がある。

本発明の目的のうちの一つは、本体を成す誘電物質と本体内に配置された内部電極の焼結特性の差異を最小化することにより、内部電極の過焼成や本体内部の欠陥発生などの問題が低減し、信頼性が向上した積層セラミックキャパシタを提供することにある。

本発明の他の目的のうちの一つは、このような信頼性が高い積層セラミックキャパシタを効率的に得ることができる製造方法を提供することにある。

上述の課題を解決するための方法として、本発明は、一例を通じて積層セラミックキャパシタの新たな構造を提供する。具体的には、内部に複数の内部電極が積層され、誘電物質を含む本体と、上記本体外部に形成されて上記内部電極と電気的に連結された外部電極と、を含み、上記本体は、上記複数の内部電極が積層された方向を厚さ方向とするとき、上記複数の内部電極によって容量が形成される活性領域と、上記活性領域において上記厚さ方向の少なくとも一側に配置されたカバー領域と、を含み、上記活性領域において上記複数の内部電極が形成されていないサイドマージン領域は、上記厚さ方向に沿って添加剤の濃度が異なり、且つ、上記複数の内部電極のうち互いに隣接したものの間の中央部に対応する領域における濃度が上記複数の内部電極に対応する位置に隣接する領域における濃度より高い構造である。

また、本発明は、他の実施形態を通じて上述の構造を有する積層セラミックキャパシタを効率的に製造することができる方法を提供する。具体的には、内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数個設け、これらを積層して積層体を設ける段階と、上記積層体を焼成して本体を形成する段階と、を含み、上記内部電極パターン及び上記グリーンシートは同一の成分の添加剤を含み、且つ、上記グリーンシートを設ける段階は第１グリーンシート上に第２及び第３グリーンシートを順次積層する段階を含む。

本発明の一例による積層セラミックキャパシタの場合、本体を成す誘電物質と本体内に配置された内部電極の焼結特性の差異を最小化することにより、内部電極の過焼成や本体内部の欠陥発生などの問題が低減することができ、これにより、信頼性が顕著に向上することができる。

本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタの一部を切開して概略的に示す斜視図である。 図１の積層セラミックキャパシタの概略的な断面図であり、Ａ−Ａ'線に沿った断面図に該当する。 図１の積層セラミックキャパシタの概略的な断面図であり、Ｂ−Ｂ'線に沿った断面図に該当する。 図２における活性領域のうち容量領域とサイドマージン領域の境界（Ｍ領域）を拡大して示すものである。 活性領域のうち容量領域の誘電体層において厚さ方向における添加剤の濃度分布を概略的に示すグラフである。 活性領域のうちサイドマージン領域の誘電体層において厚さ方向における添加剤の濃度分布を概略的に示すグラフである。 本発明の一実施例による積層セラミックキャパシタの製造方法を概略的に示すものである。 図７の実施例におけるグリーンシートの構造を詳細に示すものである。

以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上において同一の符号で示される要素は同一の要素である。

また、本発明を明確に説明すべく、図面において説明と関係ない部分は省略し、多様の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示し、同一思想の範囲内において機能が同一である構成要素に対しては同一の参照符号を用いて説明する。さらに、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

積層セラミックキャパシタ
図１は本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタの一部を切開して概略的に示す斜視図である。図２及び図３は図１の積層セラミックキャパシタの概略的な断面図であり、それぞれＡ−Ａ'及びＢ−Ｂ'線に沿った断面図に該当する。

図１から図３をともに参照すると、本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタ１００は、内部に複数の内部電極１２１、１２２が積層され、誘電物質を含む本体１１０及び外部電極１３１、１３２を含む構造であり、この場合、本体１１０は、活性領域１１５、及びカバー領域１１２、１１３に区分されることができる。本発明の実施形態を明確に説明するために、本体１１０の方向を定義すると、図面上に示されるＬ、Ｗ及びＴはそれぞれ長さ方向、幅方向及び厚さ方向を示す。この場合、厚さ方向Ｔは、複数の内部電極１２１、１２２が積層された方向と定義することができる。

本体１１０は、複数の誘電体層１１１が積層された形態であり、後述の通り、複数のグリーンシートを積層した後、焼結して得られることができる。このような焼結工程によって複数の誘電体層１１１は一体化した形態を有することができる。本体１１０の形状及び寸法並びに誘電体層１１１の積層数が本実施形態に示されたものに限定されるものではなく、例えば、図１に示された形態のように、本体１１０は長方体形状を有することができる。

本体１１０に含まれた誘電体層１１１は、高誘電率を有するセラミック材料を含むことができ、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系またはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）系物質を含むことができるが、十分な静電容量を得られる限り当技術分野で知られている他の物質も用いることができる。誘電体層１１１には、主成分であるこのようなセラミック材料とともに、必要な場合、添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤及び分散剤などがさらに含まれることができる。このうち、添加剤として、内部電極１２１、１２２に添加されたものと同一の物質を含むことができ、後述の通り、このような添加剤の濃度は均一な焼結特性を確保するように局部的に適切に調節される。

内部電極１２１、１２２は、互いに異なる外部電極１３１、１３２と連結されて、駆動時に互いに異なる極性を有することができる。後述の通り、内部電極１２１、１２２は、セラミックグリーンシートの一面に所定の厚さで導電性金属を含むペーストを印刷した後、これを焼結して得られることができる。この場合、内部電極１２１、１２２は、図１及び図３に示された形態のように、積層方向に沿って両端面に交互に露出するように形成されることができ、これらの間に配置された誘電体層１１１によって互いに電気的に分離されることができる。

内部電極１２１、１２２を成す主な構成物質は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）などを例に挙げることができ、これらの合金も用いることができる。このような金属成分の他に、内部電極１２１、１２２は、他の添加剤が一部含まれることができ、例えば、セラミック添加剤が金属成分とともに存在することができる。このようなセラミック添加剤は、製造過程で内部電極１２１、１２２の焼結を遅らせるための機能などを行い、このうちの一部は、焼結時に隣接した誘電体層１１１に拡散される。焼結遅延機能などを行うことができる代表的なセラミック添加剤として、ＭｇＯを例に挙げることができ、他のセラミック物質（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｎＯなど）も用いることができる。後述の通り、隣接した誘電体層１１１ではセラミック添加剤の拡散移動によってセラミック添加剤の濃度が不均一になりかねず、その結果、焼結特性の局部的な変化が生じ得る。

外部電極１３１、１３２は、本体１１０の外部に形成されて内部電極１２１、１２２と電気的に連結される。外部電極１３１、１３２は、導電性金属を含む物質をペーストで製造した後、これを本体１１０に塗布する方法などで形成することができる。また、導電性金属の例として、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）またはこれらの合金を挙げることができる。

本実施形態の場合、本体１１０の内部は、内部電極１２１、１２２に含まれている添加剤成分の濃度が領域によって異なる。これは、本体１１０にわたって焼結特性を全体的に均一にするために、セラミックグリーンシートに含有される添加剤の量を適切に調節することで得られた構造である。

これを具体的に説明すると、本体１１０は、内部電極１２１、１２２によって容量が形成される活性領域１１５と、上記厚さ方向を基準に活性領域１１５の両側、即ち、図１から図３を基準に上部側及び下部側に配置されたカバー領域１１２、１１３と、を含む。ここで、活性領域１１５において、外郭を成す部分、即ち、内部電極１２１、１２２が形成されていない領域はサイドマージン領域１１４と称する。

カバー領域１１２、１１３は、物理的または化学的ストレスによる第１及び第２内部電極１２１、１２２の損傷を防止する役割を行うことができ、内部電極１２１、１２２を含まない点の他には活性領域１１５の誘電体層１１１と実質的に同一の材質及び構成を有することができる。この場合、カバー領域１１２、１１３は、グリーンシートの積層及び焼結工程によってともに得られることができる。このようなカバー領域１１２、１１３は、１個または２個以上のグリーンシートが活性領域１１５の上下面に積層されて焼結された形態で実現されることができる。

本実施形態の場合、サイドマージン領域１１４は、厚さ方向Ｔに沿って添加剤の濃度が異なり、これは本体１００の全体領域で焼結温度が均一になることができるようにグリーンシートの添加剤の濃度が調節された形態である。この場合、上述の通り、サイドマージン領域１１４に含まれた添加剤成分は、内部電極１２１、１２２に含まれた添加剤、例えば、焼結遅延のためのＭｇＯなどを用いることができる。

サイドマージン領域１１４の添加剤の濃度特性を図４から図６を参照してより詳細に説明する。図４は図２における活性領域のうち容量領域とサイドマージン領域の境界（Ｍ領域）を拡大して示すものである。図５は活性領域のうち容量領域の誘電体層において厚さ方向における添加剤の濃度分布を概略的に示すグラフである。図６は活性領域のうちサイドマージン領域の誘電体層において厚さ方向における添加剤の濃度分布を概略的に示すグラフである。

本実施形態の場合、図４及び図６を参照すると、サイドマージン領域１１４の場合、複数の内部電極１２１、１２２のうち互いに隣接したものの間の中央部に対応する領域１１４ａにおける濃度（以下、「第１濃度」とする）が内部電極１２１、１２２に対応する位置に隣接する領域１１４ｂにおける濃度（以下、「第２濃度」とする）より高い特性を示す。これは、後述の通り、内部電極の間に３個のグリーンシートを積層し、中央に配置されるグリーンシートの添加剤の濃度を相対的に高くすることで得られることができ、焼結過程で領域１１４ａの添加剤は隣接した領域１１４ｂなどに拡散移動しながら、図６に示されたものと類似した添加剤分布を示すようになる。

活性領域１１５のうち容量領域１１６は、サイドマージン領域１１４と異なる添加剤の濃度分布を示す。ここで、容量領域１１６とは、活性領域１１５においてサイドマージン領域１１４を除いて純粋に容量形成に寄与する領域と定義することができる。例えば、容量領域１１６は、活性領域１１５において内部電極１２１、１２２が形成された領域に該当することができる。図４及び図５を参照すると、容量領域１１６に含まれた誘電体層１１１の場合、厚さ方向Ｔに沿って添加剤の濃度が異なり、複数の内部電極１２１、１２２のうち互いに隣接したものの間の中央部における濃度（以下、「第３濃度」とする）が内部電極１２１、１２２に隣接した領域における濃度（以下、「第４濃度」とする）より高い特性を有する点ではサイドマージン領域１１４と類似した傾向を見せる。容量領域１１６のこのような添加剤分布を見せる理由も、サイドマージン領域１１４と類似し、中央部に配置されるグリーンシートの添加剤の濃度が隣接した他のものより高いためである。この場合、サイドマージン領域１１４と容量領域１１６は、別途で製作されるよりは一体構造である本体内において機能によって（または、内部電極が存在する領域によって）分類したことを考えると、このような添加剤の分布特性が理解されることができる。

本実施形態の場合、サイドマージン領域１１４及び容量領域１１６における上述の濃度分布は互いに異なる傾向を見せる。具体的には、図５及び図６を比較すると、サイドマージン領域１１４における上記第１及び第２濃度の差異は容量領域１１６における上記第３及び第４濃度の差異より大きい。同一のグリーンシートによって得られたにもかかわらず、サイドマージン領域１１４において濃度勾配が容量領域１１６よりさらに大きい理由は、内部電極１２１、１２２から添加剤が拡散されたためである。即ち、上述の通り、内部電極１２１、１２２内には金属成分の他に焼結を遅らせるために提供されるセラミックなどの添加剤が含まれ、このような添加剤が隣接したグリーンシート（焼結後の誘電体層）に拡散される。これにより、内部電極１２１、１２２に隣接した領域を基準にすると、サイドマージン領域１１４における添加剤の濃度（第２濃度）は容量領域１１６における添加剤の濃度（第４濃度）より小さくなる。

もし、グリーンシートを設けるにあたり、添加剤の濃度分布を考えない場合、即ち、厚さ方向の全体的に添加剤の濃度分布を均一にする場合は、焼結過程で添加剤の分布が不均一になる。これは、上述の通り、内部電極１２１、１２２からの添加剤の拡散によるものである。焼結過程で添加剤分布の不均一が生じる場合は焼結特性も不均一となる。具体的には、誘電体層１１１において内部電極１２１、１２２と隣接した領域は添加剤の濃度が中央領域より相対的に高く、焼結特性も異なる様相を見せるようになる。このような焼結特性の差異により、上述の問題点、即ち、本体１１０内の欠陥や内部電極１２１、１２２の過焼成などが発生し得る。

本実施形態では、焼結特性の不均一によるこのような問題を解消するために、添加剤の濃度が高いグリーンシートを隣接した内部電極１２１、１２２の間の中央に該当する領域に配置することにより、添加剤の拡散による内部電極１２１、１２２の隣接領域における局部的な添加剤の濃度の上昇を相殺しようとした。これにより、容量領域１１６における誘電体層１１１は相対的に均一な焼結特性を示し、これにより、本体１１０の信頼性が向上することができる。

この場合、図５及び図６のグラフから改めて確認できるように、内部電極１２１、１２２から添加剤の拡散が少ないサイドマージン領域１１４では、容量領域１１６に比べて添加剤の濃度勾配がさらに大きい傾向を見せるが、キャパシタの信頼性と関連しては容量領域１１６の特性がさらに重要であるため、サイドマージン領域１１４の不均一による不利益は相対的に低い。

一方、本実施形態では、添加剤の濃度と関連して活性領域に対してだけ説明しているが、カバー領域１１２、１１３も同様な方式で添加剤の濃度が調節されることができる。即ち、カバー領域１１２、１１３において活性領域１１５に隣接した領域は内部電極１２１、１２２の影響（即ち、添加剤の拡散）により、添加剤の量が増加する可能性がある。したがって、カバー領域１１２、１１３にわたって全体的に焼結特性を均一にするために、活性領域１１５の上下部に隣接して積層されるグリーンシートは添加剤の濃度を低くする一方、活性領域１１５から遠い位置に積層されるグリーンシートは添加剤の濃度を相対的に高くすることができる。

積層セラミックキャパシタの製造方法
以下、図７及び図８を参照して上述の構造を有する積層セラミックキャパシタの製造方法の一例を説明する。製造方法に対する説明を通じて積層セラミックキャパシタの構造がより詳細に理解されることができる。

図７は本発明の一実施例による積層セラミックキャパシタの製造方法を概略的に示すものである。図８は図７の実施例におけるグリーンシートの構造を詳細に示すものである。本実施形態による製造方法の場合、内部電極パターン２２１、２２２が形成されたグリーンシート２１０を複数個設け、これらを積層して積層体を設ける段階と、これによって得られた積層体を焼成して本体を形成する段階と、を含む。

グリーンシート２１０を設ける過程を説明すると、グリーンシート２１０は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系物質、鉛複合ペロブスカイト系物質またはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）系物質などのセラミック粉末を含み、ここに有機溶剤や有機バインダーなどが添加される。この場合、グリーンシート２１０には内部電極パターン２２１、２２２と同一の成分の添加剤が含まれる。これは、内部電極パターン２２１、２２２とグリーンシート２１０の焼結温度を合わせるために内部電極パターン２２１、２２２に添加されたＭｇＯなどのセラミック添加剤であることができる。

より具体的には、図８に示された形態のように、グリーンシート２１０を設ける段階は、第１グリーンシート２１０ａ上に第２及び第３グリーンシート２１０ｂ、２１０ｃを順次積層する段階を含み、この場合、第３グリーンシート２１０ｃ上に内部電極パターンを形成してもよく、形成しなくてもよい。内部電極パターンが形成されない第３グリーンシート２１０ｃはカバー領域として用いることができる。但し、カバー領域として用いる場合は、図８の例のように、３個のグリーンシート２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃに分離して積層することを必ずしも必要としない。この場合、カバー領域を成すグリーンシートも内部電極パターン２２１、２２２に含まれた添加剤のような成分の添加剤を含むことができる。

本実施形態の場合、内部電極パターン２２１、２２２が上面に形成されたグリーンシートを設けるにあたり、一つのシートだけを用いるのではなく、少なくとも３個のグリーンシート２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを積層する方法を用いる。これは、上述の通り、中央領域に位置したグリーンシート２１０ｂの場合、添加剤の濃度が相対的に高いことを用いるためである。これにより、第１及び第３グリーンシート２１０ａ、２１０ｃより第２グリーンシート２１０ｂの上記添加剤の濃度がさらに高く、後続する焼結過程で添加剤の拡散移動を通じてグリーンシート２１０は全体的に添加剤の濃度が均一となる。

一方、内部電極パターン２２１、２２２は、導電性金属を主成分とし、上述の焼結遅延用添加剤などを含むペースト形態で提供されることができ、このようなペーストをスクリーン印刷法またはグラビア印刷法のような印刷法などの適切な工程で形成されることができる。この場合、内部電極パターン２２１、２２２に含まれた上記添加剤はこれに含まれた主成分である金属成分より焼結温度が高いもの、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｎＯなどのセラミックを用いることができる。

図７に示された形態のように、複数のグリーンシート２１０を積層して積層体を設けた後、これを個別のチップサイズに切断してから焼成を行って本体を形成する。この場合、チップサイズ切断工程は焼成工程後に行われることができる。焼成工程は、一例として、１１００℃〜１３００℃のＮ_２−Ｈ_２雰囲気で行われることができる。この場合、焼成段階の前に、グリーンシート積層体を仮焼する段階をさらに含むことができる。このような焼成工程後には本体外部に外部電極を形成し、外部電極の形成は上述の内容または当業界で用いられる工程を用いることができるため説明は省略する。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有するものには明らかである。

１００ 積層セラミックキャパシタ
１１０ 本体
１１１ 誘電体層
１１２、１１３ カバー領域
１１４ サイドマージン領域
１１５ 活性領域
１１６ 容量領域
１２１、１２２ 内部電極
１３１、１３２ 外部電極
２１０ グリーンシート
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ 第１から第３グリーンシート
２２１、２２２ 内部電極パターン

Claims (13)

1. 内部に複数の内部電極が積層され、誘電物質を含む本体と、
   前記本体外部に形成され、前記複数の内部電極と電気的に連結された外部電極と、
   を含み、
   前記本体は、前記複数の内部電極が積層された方向を厚さ方向とするとき、前記複数の内部電極によって容量が形成される活性領域と、前記活性領域において前記厚さ方向の少なくとも一側に配置されたカバー領域と、を含み、
   前記活性領域において前記複数の内部電極が形成されていないサイドマージン領域は、前記厚さ方向に沿って添加剤の濃度が異なり、且つ、前記複数の内部電極のうち互いに隣接したものの間の中央部に対応する領域における濃度（以下、「第１濃度」とする）が前記複数の内部電極に対応する位置に隣接する領域における濃度（以下、「第２濃度」とする）より高く、
   前記添加剤は前記複数の内部電極にも含まれ、
   前記活性領域においてサイドマージン領域を除いた領域を容量領域とするとき、前記容量領域に含まれた誘電体層は、前記厚さ方向に沿って前記添加剤の濃度が異なり、且つ、前記複数の内部電極の間の中央部における濃度（以下、「第３濃度」とする）が前記複数の内部電極に隣接した領域における濃度（以下、「第４濃度」とする）より高く、
   前記第１濃度及び第２濃度の差異は前記第３濃度及び第４濃度の差異より大きい、
   積層セラミックキャパシタ。
2. 前記添加剤は、セラミック添加剤である、
   請求項１に記載の積層セラミックキャパシタ。
3. 前記添加剤は前記複数の内部電極を成す物質より焼結温度が高い、
   請求項１または２に記載の積層セラミックキャパシタ。
4. 前記添加剤はＭｇＯを含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の積層セラミックキャパシタ。
5. 前記カバー領域は前記添加剤を含む、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層セラミックキャパシタ。
6. 前記第２濃度は前記第４濃度より小さい、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の積層セラミックキャパシタ。
7. 前記容量領域に存在する前記添加剤の成分のうちの一部は前記複数の内部電極から拡散される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の積層セラミックキャパシタ。
8. 内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数個設け、これらを積層して積層体を設ける段階と、
   前記積層体を焼成して本体を形成する段階と、
   を含み、
   前記内部電極パターン及び前記グリーンシートは、同一の成分の添加剤を含み、
   前記グリーンシートを設ける段階は、第１グリーンシート上に第２グリーンシート及び第３グリーンシートを順次積層する段階を含み、
   前記第１グリーンシート及び第３グリーンシートより前記第２グリーンシートの前記添加剤の濃度がさらに高い、
   積層セラミックキャパシタの製造方法。
9. 前記グリーンシートを設ける段階は、前記第３グリーンシート上に前記内部電極パターンを形成する段階をさらに含む、
   請求項８に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
10. 前記添加剤は前記内部電極パターンに含まれた金属成分より焼結温度が高い、
    請求項８または９に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
11. 前記添加剤はＭｇＯを含む、
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
12. 前記積層体の上下部に内部電極が形成されていないグリーンシートを配置してカバー領域を形成する段階をさらに含む、
    請求項８から１１のいずれか一項に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
13. 前記カバー領域を成すグリーンシートは前記添加剤を含む、
    請求項１２に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。

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