JP7238825B2 - 電子部品、電子部品の製造方法、及び、実装構造体の製造方法 - Google Patents

電子部品、電子部品の製造方法、及び、実装構造体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子部品、電子部品の製造方法、及び、実装構造体の製造方法に関する。
積層セラミックコンデンサ等の電子部品は、素体と、素体の内部に設けられた内部電極と、素体の外部に設けられた外部電極とにより構成されている。これまで、電子部品を配線基板に実装する方法としては、はんだを用いて、配線基板のランドと電子部品の外部電極とを接合する方法が主流となっている。
このように、従来は、はんだ付けを行うことを前提としていたために、電子部品の外部電極を3層構造としていることが多い。特許文献1には、3層からなる外部電極の構造として、素体と接する第1層目は、金属が焼結して形成されたものであり、第2層目は、Ni若しくはCu若しくはこれらの合金のめっき膜が第1層目を覆うように形成されたものであり、第3層目は、Sn若しくははんだのめっき膜が第2層目を覆うように形成されている構造が記載されている。
特開2000-357627号公報
外部電極の第1層目は、内部電極と電気的に接続する目的で形成される下地層である。しかし、第1層目を、直接はんだを介して配線基板のランドに接合させると、第1層目を構成する金属成分がはんだに吸収される「はんだ食われ」と呼ばれる現象が起きる。そのため、はんだ食われ現象を防止する目的で、第1層目の表面に、Ni等のめっき膜からなる第2層目が形成される。しかし、第2層目のめっき膜が酸化すると、はんだとの付着性が悪くなる。そのため、第2層目のめっき膜の酸化を防止する目的で、Sn等のめっき膜からなる第3層目が形成される。また、第3層目としてSn等のめっき膜を用いることにより、はんだとのなじみ性を得ることもできる。
上記のとおり、外部電極の表面に酸化膜が形成されていると、はんだとの付着性が悪くなる。そのため、はんだ中には、酸化膜を除去するためのフラックスが含まれていることが一般的である。
しかしながら、はんだ付け及びめっき処理を使用した電子部品の実装方法では、下記(1)に示す品質低下を引き起こすおそれがある。特に、セラミックを素体とするセラミック電子部品の実装方法では、下記(1)に加えて、(2)及び(3)に示す品質低下も引き起こすおそれがある。
(1)はんだ付けに使用するはんだの耐熱性が問題となる。例えば、車載用途など、電子部品の使用環境が高温になると、電子部品と配線基板との間の熱収縮差により、はんだのフィレット部にクラックが発生するなど、接続信頼性が低下する。
(2)はんだ中に含まれるフラックスによってセラミック素体が侵食されてしまい、絶縁抵抗(IR)が劣化する。
(3)めっき処理に使用するめっき液中に含まれる酸やアルカリによってもセラミック素体が侵食されてしまい、絶縁抵抗値が低下する。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、はんだ付け及びめっき処理を使用せずに配線基板に実装することが可能な電子部品を提供することを目的とする。本発明はまた、上記電子部品の製造方法、及び、上記電子部品を用いた実装構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の電子部品は、素体と、上記素体の内部に設けられた内部電極と、上記素体の外部に設けられた外部電極と、を備え、上記外部電極の最外層が、金属粒子を含んでいながらも、上記内部電極と導通していない。
本発明の電子部品の製造方法は、内部電極が内部に設けられた素体を用意する工程と、 上記素体の外部に外部電極を形成する工程と、を備え、上記外部電極を形成する工程では、金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペーストを表面に塗布した後、上記溶剤は揮発するが上記金属粒子は焼結を開始しない温度で上記最外層用導電性ペーストを乾燥させる処理のみを行うことにより、上記外部電極の最外層として乾燥膜を形成する。
本発明の実装構造体の製造方法は、本発明の電子部品、又は、本発明の製造方法により得られる電子部品を配線基板のランド上に搭載する工程と、上記ランド上の上記電子部品を焼成する工程と、を備え、上記電子部品を焼成する工程では、外部電極の最外層に含まれる金属粒子を焼結させる。
本発明によれば、はんだ付け及びめっき処理を使用せずに配線基板に実装することが可能な電子部品を提供することができる。
図1は、本発明の電子部品の一例を模式的に示す断面図である。 図2は、本発明の電子部品の別の一例を模式的に示す断面図である。 図3は、内部電極と外部電極の導通を確認する方法を説明するための模式図である。 図4は、内部電極が内部に設けられた素体を用意する工程の一例を模式的に示す断面図である。 図5は、外部電極の下地層を形成する工程の一例を模式的に示す断面図である。 図6は、金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペーストを塗布する工程の一例を模式的に示す断面図である。 図7は、最外層用導電性ペーストを乾燥させる工程の一例を模式的に示す断面図である。 図8は、電子部品を搭載する工程の一例を模式的に示す断面図である。 図9は、電子部品を焼成する工程の一例を模式的に示す断面図である。 図10は、焼成プロファイルの一例である。 図11は、実装構造体の別の一例を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の電子部品、電子部品の製造方法、及び、実装構造体の製造方法について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
[電子部品]
本発明の電子部品は、各種のチップ型電子部品である。電子部品の一例としては、セラミック素体を備えるセラミック電子部品が挙げられる。セラミック電子部品としては、例えば、積層セラミックコンデンサ、積層インダクタ、積層LC部品などの積層セラミック電子部品が挙げられる。本発明の電子部品は、セラミック電子部品でなくてもよい。
図1は、本発明の電子部品の一例を模式的に示す断面図である。
図1に示す電子部品1は、素体10と、素体10の内部に設けられた内部電極11と、素体10の外部に設けられた外部電極12とを備える。電子部品1では、外部電極12は、外側から内側に向かって順に、最外層13と、下地層14とを含む。下地層14は、素体10の表面に設けられており、最外層13は、下地層14の表面に設けられている。
図2は、本発明の電子部品の別の一例を模式的に示す断面図である。
図2に示す電子部品2は、外部電極12が下地層14を含まず、最外層13が素体10の表面に設けられていること以外は、図1に示す電子部品1と同様の構成を有する。
本発明の電子部品においては、外部電極の最外層が、金属粒子を含んでいながらも、内部電極と導通していないことを特徴としている。
本発明の電子部品は、後述するように、はんだ付け及びめっき処理を使用せずに配線基板に実装することが可能となる。したがって、上記(1)に示す品質低下の発生を防ぐことができる。特に、素体がセラミック素体である場合には、上記(1)に加えて、(2)及び(3)に示す品質低下の発生を防ぐこともできる。
図3は、内部電極と外部電極の導通を確認する方法を説明するための模式図である。
電子部品を研磨して断面を露出させた後、図3に示すP1、P2、P3及びP4の位置に測定器を取り付け、4端子法によりP1-P3間(2~3cm)の抵抗値を測定する。P1-P2間の電圧測定、及び、P3-P4間の電流測定には、例えば、デジタルマルチメーター(PC7000、三和電気計器株式会社製)を使用する。
測定電圧を100mVとしたとき、内部電極と外部電極の導通が取れない場合は、電流が1mA未満もしくは測定不能となる。一方、内部電極と外部電極の導通が取れる場合は、オームの法則に従い、例えば数10~数100mA程度の電流を測定することが可能となる。
本発明の電子部品では、外部電極の最外層に含まれる金属粒子は焼結していない。言い換えると、外部電極の最外層において、金属粒子間でネッキングが生じていない。また、外部電極の最外層において、金属粒子は、後述する樹脂の中に分散している。そのため、外部電極の最外層が内部電極と導通していない。
外部電極の最外層に含まれる金属粒子を構成する金属としては、例えば、Cu、Ni、Ag又はこれらの金属を少なくとも1種含む合金等が挙げられる。
外部電極の最外層に含まれる金属粒子の平均粒径は、10nm以上1000nm以下であることが好ましい。金属粒子の平均粒径が上記の範囲であると、金属粒子を構成する金属の融点よりも低い温度で金属粒子を焼結させることができる。
外部電極の最外層に含まれる金属粒子の平均粒径は、以下の方法により測定することができる。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、30μm×30μmの範囲に視野を定めて外部電極の最外層の断面を観察し、各金属粒子の粒径を線分法で10箇所以上測定する。当該視野に存在する各金属粒子の円相当径の平均粒径を金属粒子の平均粒径とする。
外部電極の最外層の厚み(図1および図2中、矢印T13で示す長さ)は、1μm以上であることが好ましい。一方、外部電極の最外層の厚みは、例えば、100μm以下である。
外部電極の最外層の厚みは、以下の方法により測定することができる。SEMを用いて、矢印T13で示す方向における外部電極の最外層の全体が1つの視野に入るように、外部電極の最外層の断面を3箇所ランダムに観察する。1つの視野において、外部電極の最外層の厚みを、3箇所計測する。全ての視野において上記の計測を行い、全ての計測箇所における平均値を外部電極の最外層の厚みとする。
外部電極の最外層は、熱分解性樹脂をさらに含むことが好ましい。熱分解性樹脂は、1種のみでもよいし、2種以上であってもよい。
熱分解性樹脂の熱分解温度は、100℃以上350℃以下であることが好ましい。なお、熱分解温度とは、10℃/分の昇温速度で熱天秤を用いて測定したときに、樹脂の重量が5重量%減となるときの温度を意味する。
熱分解性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、セルロース樹脂等が挙げられる。
アクリル樹脂としては、例えば、アルキル(メタ)アクリレートの単独重合体(ホモポリマー)や、アルキル(メタ)アクリレートを主モノマー(単量体全体の50質量%以上を占める成分。以下同じ。)として当該主モノマーに共重合性を有する副モノマーを含む共重合体(コポリマー)が挙げられる。単独重合体の具体例としては、例えば、ポリメチル(メタ)アクリレート、ポリエチル(メタ)アクリレート、ポリブチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。共重合体の具体例としては、例えば、構成単位としてメタクリル酸エステルの重合体ブロックとアクリル酸エステルの重合体ブロックとを含むブロック共重合体等が挙げられる。なお、(メタ)アクリレートとは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。
ブチラール樹脂としては、例えば、酢酸ビニルの単独重合体や、酢酸ビニルを主モノマーとして当該主モノマーに共重合性を有する副モノマーを含む共重合体が挙げられる。単独重合体の具体例としては、ポリビニルブチラールが挙げられる。共重合体の具体例としては、主鎖骨格に、繰り返し構成単位として、ビニルブチラール(ブチラール基)と、酢酸ビニル(アセチル基)と、ビニルアルコール(水酸基)と、を含むポリビニルブチラール(PVB)等が挙げられる。
セルロース樹脂としては、例えば、繰り返し構成単位としてのセルロースの水酸基における水素原子の一部又は全部が、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等のアルキル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基等のアリル基、メチロール基、エチロール基、カルボキシメチル基、カルボキシエチル基等で置換されたセルロース有機酸エステル(セルロース誘導体)が挙げられる。具体例としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ニトロセルロース等が挙げられる。
外部電極の最外層は、ガラス又は熱硬化性樹脂などの固着補助材をさらに含んでもよい。これにより、実装時の固着力を高くすることができる。
外部電極の最外層に含まれるガラスとしては、例えば、B、Si、Ba、Mg、Al、Li、P、Te、V、Bi、Sn、In、Na等から選ばれる少なくとも1種を含むガラス等が挙げられる。外部電極の最外層に含まれる熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂等が挙げられる。
に示すように、外部電極が下地層を含む場合、下地層は、焼付け層であることが好ましい。焼付け層は、ガラス及び金属を含む。焼付け層の金属としては、例えば、Cu、Ni、Ag等が挙げられる。焼付け層は、ガラス及び金属粒子を含む下地層用導電性ペーストを素体の表面に塗布して焼き付けることにより形成される。素体がセラミック素体である場合、焼付け層は、セラミック素体及び内部電極と同時に焼成したものでもよく、セラミック素体及び内部電極を焼成した後に焼き付けたものでもよい。
下地層の厚みは、10nm以上100μm以下であることが好ましい。下地層の厚みは、最外層の厚みと同様の方法により測定することができる。また、下地層は、複数層であってもよい。
本発明の電子部品において、セラミック素体等の素体は、電子部品の機能に応じた適宜の材料により構成される。例えば、電子部品がセラミックコンデンサである場合には、誘電体セラミックにより素体が構成される。誘電体セラミックとしては、例えば、Ba及びTiを含有するペロブスカイト型化合物等が挙げられる。
また、電子部品がセラミックコンデンサである場合には、内部電極は、例えば、Ni、Cu、Ag、Pd、Au、Ag-Pd合金等の金属により構成される。
[電子部品の製造方法]
以下、本発明の電子部品の製造方法の一例について説明する。
図4は、内部電極が内部に設けられた素体を用意する工程の一例を模式的に示す断面図である。
まず、内部電極11が内部に設けられた素体10を用意する。後述する外部電極の下地層14を形成する場合、素体10は未焼成の状態であってもよいし、焼成された状態であってもよい。
図5は、外部電極の下地層を形成する工程の一例を模式的に示す断面図である。
素体10の表面に外部電極の下地層14を形成する。例えば、ガラス及び金属粒子を含む下地層用導電性ペーストを素体10の表面に塗布して焼き付けることにより、外部電極の下地層14として焼付け層を形成することができる。なお、内部電極11との導通性があれば、下地層14を形成する材料や方法は特に限定されない。例えば、めっき、スパッタ、蒸着などの方法によって下地層14を形成することも可能である。
図6は、金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペーストを塗布する工程の一例を模式的に示す断面図である。
金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペースト15を下地層14の表面に塗布する。図6に示すように、最外層用導電性ペースト15は、素体10の表面に塗布することが好ましい。
最外層用導電性ペーストを塗布する方法としては、例えば、ディッピング、スプレー塗布、スクリーン印刷等の方法が挙げられる。
最外層用導電性ペーストに含まれる金属粒子を構成する金属としては、例えば、Cu、Ni、Ag又はこれらの金属を少なくとも1種含む合金等が挙げられる。
最外層用導電性ペーストに含まれる金属粒子の平均粒径は、10nm以上1000nm以下であることが好ましい。金属粒子の平均粒径が上記の範囲であると、金属粒子を構成する金属の融点よりも低い温度で金属粒子を焼結させることができる。
最外層用導電性ペーストに含まれる金属粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱法により測定することができ、メディアン径(D50)として表される。なお、最外層用導電性ペーストに含まれる金属粒子の平均粒径は、完成品である電子部品を構成する外部電極の最外層に含まれる金属粒子の平均粒径と同じであるとみなして差し支えない。
最外層用導電性ペースト中の金属粒子の含有量は、必要な厚みに応じて適正化することが可能であるが、3vol%以上30vol%以下であることが好ましい。
最外層用導電性ペーストは、[電子部品]で説明した熱分解性樹脂をさらに含むことが好ましい。
最外層用導電性ペーストは、[電子部品]で説明したガラス又は熱硬化性樹脂などの固着補助材をさらに含んでもよい。
図7は、最外層用導電性ペーストを乾燥させる工程の一例を模式的に示す断面図である。
溶剤は揮発するが金属粒子は焼結を開始しない温度で最外層用導電性ペースト15を乾燥させる処理を行う。これにより、最外層用導電性ペースト15は金属粒子を含む乾燥膜16になり、この乾燥膜16を外部電極の最外層とすることができる。乾燥膜16は内部電極11と導通していないことが好ましいが、乾燥膜16が内部電極11と導通していてもよい。
最外層用導電性ペースト15が熱分解性樹脂を含む場合、乾燥膜16には、熱分解性樹脂が含まれた状態になっている。同様に、最外層用導電性ペースト15が固着補助材を含む場合、乾燥膜16には、固着補助材が含まれた状態になっている。
最外層用導電性ペーストを乾燥させる温度は、例えば、25℃以上120℃以下である。
本発明の電子部品の製造方法においては、乾燥膜を形成するために、最外層用導電性ペーストを乾燥させる処理のみを行うことを特徴としている。すなわち、本発明の電子部品の製造方法においては、金属粒子を焼結させるための焼成処理を行わないことを特徴としている。
また、素体10の表面に下地層14を形成する代わりに、金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペースト15を素体10の表面に塗布した後、外部電極12の最外層13として乾燥膜16を形成してもよい。下地層14を形成しない場合、素体10は焼成された状態にすればよい。
[実装構造体の製造方法]
以下、本発明の実装構造体の製造方法の一例について説明する。
図8は、電子部品を搭載する工程の一例を模式的に示す断面図である。
図8では、図1に示す電子部品1が、配線基板20のランド21上に搭載されている。具体的には、電子部品1の外部電極12の底面が、配線基板のランド21に対向している。
図9は、電子部品を焼成する工程の一例を模式的に示す断面図である。
ランド21上の電子部品1を焼成して、図8に示す外部電極12の最外層13に含まれる金属粒子を焼結させる。これにより、図9に示すように、外部電極12Aの最外層として焼結層17が形成され、外部電極12Aが内部電極11と導通する。その結果、実装構造体100が得られる。なお、図8に示す外部電極12の最外層13に熱分解性樹脂が含まれる場合、焼成により、熱分解性樹脂は分解される。
図10は、焼成プロファイルの一例である。
焼成温度は、図10に示すように2段階であることが好ましい。S1で示す前段の温度領域にて、熱分解性樹脂などの有機材料の熱分解を行い、S2で示す後段の温度領域にて、金属粒子の焼結を行うことができる。ただし、有機材料の分解性が良好である場合には、2段階のプロファイルを使用してもよいし、使用しなくてもよい。
図11は、実装構造体の別の一例を模式的に示す断面図である。
図11に示す実装構造体200では、素体10と配線基板20との間に、エポキシ樹脂等の硬化性樹脂からなる固着材30が設けられることで、素体10と配線基板20とが固着されている。
上述したように、本発明においては、はんだ付け及びめっき処理を使用せずに配線基板に実装することが可能となる。したがって、上記(1)に示す品質低下の発生を防ぐことができる。特に、素体がセラミック素体である場合には、上記(1)に加えて、(2)及び(3)に示す品質低下の発生を防ぐこともできる。
チップ型電子部品としても、外部電極の形成コストを低減することができる。さらに、はんだを使用しないことで、狭隣接実装、高密度実装が可能となる。
また、これまでは、外部電極が、内部電極と配線基板との電気的接合に加えて、素体と配線基板との固着の機能も担っていたが、図11に示すような固着材30を設けることで、外部電極が電気的接合の機能のみを得ることも可能である。
本発明の電子部品、電子部品の製造方法、及び、実装構造体の製造方法は、上記の構成に限定されるものではなく、電子部品及び実装構造体の構成、製造条件等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
1、2 電子部品
10 素体
11 内部電極
12、12A 外部電極
13 外部電極の最外層
14 外部電極の下地層
15 最外層用導電性ペースト
16 乾燥膜
17 焼結層
20 配線基板
21 ランド
30 固着材
100、200 実装構造体
13 外部電極の最外層の厚み

Claims (13)

  1. 素体と、
    前記素体の内部に設けられた内部電極と、
    前記素体の外部に設けられた外部電極と、を備え、
    前記外部電極の最外層が、金属粒子を含んでいながらも、前記内部電極と導通しておらず、
    前記外部電極は、前記素体の表面に、前記内部電極と導通している下地層をさらに含み、
    前記外部電極の最外層は、前記下地層の表面に設けられている、電子部品。
  2. 前記外部電極の最外層は、熱分解性樹脂をさらに含む、請求項1に記載の電子部品。
  3. 前記熱分解性樹脂の熱分解温度は、100℃以上350℃以下である、請求項2に記載の電子部品。
  4. 前記熱分解性樹脂は、アクリル樹脂、ブチラール樹脂又はセルロース樹脂である、請求項2又は3に記載の電子部品。
  5. 前記金属粒子の平均粒径は、10nm以上1000nm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の電子部品。
  6. 前記外部電極の最外層は、ガラス又は熱硬化性樹脂をさらに含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の電子部品。
  7. 前記外部電極の最外層の厚みは、1μm以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電子部品。
  8. 前記素体がセラミック素体である、請求項1~のいずれか1項に記載の電子部品。
  9. 内部電極が内部に設けられた素体を用意する工程と、
    前記素体の外部に外部電極を形成する工程と、を備え、
    前記外部電極を形成する工程では、前記素体の表面に、前記内部電極と導通している下地層を形成した後、前記下地層の表面に前記外部電極の最外層を形成し、
    金属粒子と溶剤とを含む最外層用導電性ペーストを前記下地層の表面に塗布した後、前記溶剤は揮発するが前記金属粒子は焼結を開始しない温度で前記最外層用導電性ペーストを乾燥させる処理のみを行うことにより、前記外部電極の最外層として乾燥膜を形成する、電子部品の製造方法。
  10. ガラス及び金属粒子を含む下地層用導電性ペーストを前記素体の表面に塗布して焼き付けることにより、前記下地層として焼付け層を形成する、請求項に記載の電子部品の製造方法。
  11. 前記最外層用導電性ペーストは、熱分解性樹脂をさらに含み、
    前記乾燥膜には、前記熱分解性樹脂が含まれている、請求項又は10に記載の電子部品の製造方法。
  12. 請求項1~のいずれか1項に記載の電子部品、又は、請求項11のいずれか1項に記載の製造方法により得られる電子部品を配線基板のランド上に搭載する工程と、
    前記ランド上の前記電子部品を焼成する工程と、を備え、
    前記電子部品を焼成する工程では、外部電極の最外層に含まれる金属粒子を焼結させる、実装構造体の製造方法。
  13. 前記電子部品を搭載する工程では、請求項2~4のいずれか1項に記載の電子部品、又は、請求項11に記載の製造方法により得られる電子部品を搭載し、
    前記電子部品を焼成する工程では、前記外部電極の最外層に含まれる熱分解性樹脂を分解させる、請求項12に記載の実装構造体の製造方法。
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