JP7283357B2 - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents
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Description
特許文献1には、内部電極層の中央部のカバレッジを75%以上とし、テーパ部のカバレッジを中央部のカバレッジの80%以下とする構成の積層セラミックコンデンサが記載されている。
内部電極層の表面のみを電流が流れる場合、各内部電極層の表面状態、及び、内部電極層とセラミック層の境界領域の状態の影響を受けやすく、単位電極層当たりの等価直列抵抗(以下、単位電極層当たりのESRと記載する)が増加するという問題があった。
この問題に対応するためには特許文献1に記載されたようなカバレッジの調整だけでは不充分であり、他の対応手法が望まれていた。
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本発明の個々の好ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
図1は、積層セラミックコンデンサを構成する積層体を模式的に示す斜視図である。図2は、積層セラミックコンデンサの一例を模式的に示す斜視図である。
長さ方向は、積層セラミックコンデンサ1を構成する外部電極である第1外部電極110と第2外部電極120が対向する方向である(図2参照)。
また、第1の側面13、第2の側面14、第1の端面15及び第2の端面16に直交し、かつ、積層体10の積層方向に直交する積層体10の断面をLW断面という。
すなわち、積層体は、キャパシタを構成する少なくとも一対の第1内部電極層及び第2内部電極層と、第1内部電極層と第2内部電極層の間に設けられたセラミック層とを有するものである。
本発明の積層セラミックコンデンサでは、積層体のLW断面において内部電極層の形状を多角形とみなした場合に内部電極層とセラミック層の境界線となる直線の長さXに対する、内部電極層とセラミック層の実際の境界線に沿って測定した長さYの比が、1.2以上、3.0以下である。
図3では、積層体10を内部電極層30及びセラミック層20が共に存在する位置で切断した断面を示しており、本明細書において以後に示すLW断面は、このような位置でのLW断面を意味する。
図3に示す内部電極層30の形状は多角形の1種である長方形とみなすことができ、内部電極層30の形状を長方形とみなした辺を点線で示している。
図4は、図3において四角で囲んだ領域Aを拡大した図である。
図4において、図3に示したような、内部電極層30の形状を長方形とみなした直線を重ねる。この線を、積層体のLW断面において内部電極層30の形状を多角形とみなした場合に内部電極層30とセラミック層20の境界線となる直線Xとする。
図5は、図4に示す断面図に内部電極層の形状を多角形とみなした場合に内部電極層とセラミック層の境界線となる直線Xを重ねて示した断面図である。この直線Xの長さを、長さXとする。
図6は、図4に示す断面図に内部電極層とセラミック層の実際の境界線Yを重ねて示した断面図である。この境界線Yの長さを、長さYとする。
そして、本発明のセラミックコンデンサでは長さXに対する長さYの比は1.2以上、3.0以下である。
上述した通り、積層セラミックコンデンサが高周波領域で使用されると、表皮効果によって電流は内部電極の表面のみを流れるようになる。すなわち、図6に示したような内部電極層とセラミック層の実際の境界線の部分に電流が集中して流れることになる。この部分の長さが長い、すなわち長さYが大きいと電流が流れる部分の長さが長いことから抵抗値が大きくなり、単位電極層当たりのESRが増大することになる。その観点から長さYが小さいことが好ましい。
そして、長さXに対する長さYの比が3.0以下であると高周波領域における積層セラミックコンデンサの単位電極層当たりのESRを低減することができる。
また、長さXに対する長さYの比が1.0に近づくと内部電極層とセラミック層との間での剥離が生じやすくなる。そのため、内部電極層とセラミック層の間での剥離を防止する観点から、長さXに対する長さYの比を1.2以上とする。
また、積層体の厚さ方向中央付近の内部電極層を用いて上記測定を行う。
この規定については、図4に示す画像に対して、図5に示した直線X及び図6に示した実際の境界線Yを重ねた画像を用いて確認することができる。
図7において、実際の境界線Yが直線Xの上に出ている部分を凸部とし、境界線Yが直線Xの下に出ている部分を凹部とする。そして、直線Xに対して凸部のうち最も上に出ている部分までの幅を凸部の幅とし、直線Xに対して凹部のうち最も下に出ている部分までの幅を凹部の幅とする。そして、凸部の幅と凹部の幅の合計値を求める。この合計値が5μm以上、11μm以下であることが好ましい。
図7には、凸部の幅を両矢印P1で示し、凹部の幅を両矢印P2で示している。
この合計値が5μm以上、11μm以下である。これは、5μm未満では積層体において層間剥離が発生しやすく、11μmより大きければ内部電極層が積層体の表面に露出しやすくなるためである。
なお、この合計値が5μm以上、11μm以下であることが好ましいのは、長さXに対する長さYの比が1.2以上、3.0以下である場合に限られる。
面カバレッジを測定する中央領域は、図3において四角で囲んだ領域Bとして模式的に示している。
面カバレッジの測定は、積層体の誘電体層間を剥離して内部電極層を露出させ、次に露出した内部電極層のうち所定の視野範囲に領域Bを含む倍率2000倍で撮影した電子顕微鏡画像において、その視野全体の面積に対して実際に内部電極層が存在する面積の比率を面カバレッジとして算出する。
面カバレッジが95%を超えると内部電極層とセラミック層の間での剥離が生じやすくなる。
また、面カバレッジが87%未満となると得られる静電容量の値が小さくなる。そのため、面カバレッジが87%以上、95%以下であることが好ましい。
積層体は、角部及び稜線部に丸みが付けられていることが好ましい。角部は、積層体の3面が交わる部分であり、稜線部は、積層体の2面が交わる部分である。
この場合、積層体の長さ方向の寸法は、0.38mm以上、0.42mm以下であることが好ましく、積層体の幅方向の寸法は、0.18mm以上、0.22mm以下であることが好ましく、積層体の積層方向の寸法は、0.18mm以上、0.22mm以下であることが好ましい。
また、積層セラミックコンデンサの長さ方向、幅方向、積層方向の寸法も上記範囲であることが好ましい。
この場合、積層体の長さ方向の寸法は、0.15mm以上、0.30mm以下であることが好ましく、積層体の幅方向の寸法は、0.08mm以上、0.15mm以下であることが好ましく、積層体の積層方向の寸法は、0.08mm以上、0.15mm以下であることが好ましい。
また、積層セラミックコンデンサの長さ方向、幅方向、積層方向の寸法も上記範囲であることが好ましい。
セラミック層のうち内部電極層の間に存在する各セラミック層の厚さは、0.4μm以上50μm以下であることが好ましい。
上記したような積層体の各寸法の測定はマイクロメータにより行うことができ、セラミック層の枚数のカウントは光学顕微鏡を用いて行うことができる。
これらの中ではジルコン酸カルシウムを含むことが好ましい。
ジルコン酸カルシウムを含む積層セラミックコンデンサは温度補償用のコンデンサとして好適に使用することができる。
また、各セラミック層は、主成分よりも含有量の少ない副成分として、Mn、Mg、Si、Co、Ni、V、Alまたは希土類元素等を含んでいてもよい。
これらのなかでは銅又は銀を含むことがより好ましく、銅を含むことがさらに好ましい。
外部電極に含まれる金属としては、銅、ニッケル、銀、パラジウム、銀-パラジウム合金及び金などから選ばれる少なくとも1種の金属であることが好ましく、銅を含むことがより好ましい。また、銅に加えてジルコニウム、アルミニウム、チタン及びケイ素などから選ばれる少なくとも1種の金属の酸化物を含んでいてもよい。
ガラスの体積割合が29%以下であるとガラスの割合が少ないため外部電極の抵抗値を低くすることができる。
また、ガラスの体積割合が29%以下であるとガラス浮きが生じにくくなり、外部電極の上にめっき層を形成する際のめっき付き性が向上する。
また、外部電極におけるガラスの体積割合は20%以上であることが好ましい。
ガラスの体積割合が20%以上であると、外部電極の緻密性を高くすることができる。
外部電極の緻密性が高いと、めっき液及び湿気が外部電極の内部へ侵入すること、及び、めっき液及び湿気が外部電極を通じて積層体の内部に浸入することを防止することができる。
以上の事項を踏まえて、外部電極におけるガラスの体積割合を20%以上、29%以下とすることによって、外部電極の抵抗値及び外部電極の緻密性の観点から好ましい特性を有する外部電極を備えた積層セラミックコンデンサを得ることができる。
また、この3分割は積層体の幅方向中央付近で行うことが好ましい。
外部電極の表面におけるガラスの体積割合Z1は相対的に少ないことが好ましい。外部電極の表面におけるガラスの体積割合が少ないということはガラス浮きが生じていないことを意味しており、この場合、外部電極の上にめっき層を形成する際のめっき付き性が向上する。
外部電極の積層体側におけるガラスの体積割合Z3は相対的に多いことが好ましい。外部電極と積層体が接する部分におけるガラスの体積割合が多いと、外部電極と積層体の結合が強固になる。
また、体積割合Z1、Z2、Z3をそれぞれ求める場合は、当該領域のみを測定領域としてEDXによる元素分析を行ってガラスの体積割合を求めればよい。
めっき層は、銅、ニッケル、スズ、パラジウム、金、銀、白金、ビスマス及び亜鉛から選ばれる少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。めっき層は、1層であってもよく、2層以上あってもよい。めっき層としては、外部電極の上に設けられたニッケルめっき層とスズめっき層とを有する層であることがより好ましい。
ニッケルめっき層によって積層体中への水の浸入を防ぎ、スズめっき層によって、積層セラミックコンデンサの実装性を向上させることができる。
セラミック粉末に、バインダ及び溶剤等を加えてスラリーを調製する。このスラリーをドクターブレード法によりシート成形し、これをカットして所定寸法のセラミックグリーンシートを得る。
導電ペーストは、銅等の金属材料、共材、溶剤、分散剤及びバインダからなる。
共材の比率を調整することによって、内部電極層の幅方向の端部の形状を調整することができ、長さXに対する長さYの比を1.2以上、3.0以下に調整することができる。
例えば、共材としてジルコン酸カルシウムなどのセラミック誘電体材料を使用して、導電ペーストに含まれる共材の含有量を4.0重量%以上とすることが好ましい。
内部電極パターンが印刷されていないセラミックグリーンシートを所定枚数積層し、その上に内部電極パターンが印刷されたセラミックグリーンシートを順次積層し、その上に内部電極パターンが印刷されていないセラミックグリーンシートを所定枚数積層し、積層シートを作製する。
積層ブロックを所定のサイズにカットし、積層チップを切り出す。このとき、バレル研磨などにより積層チップの角部及び稜線部に丸みをつけてもよい。
積層チップを焼成し積層体を作製する。
内部電極層用の導電ペーストとして銅を主成分とするペーストを使用する場合は、焼成温度は、850℃以上、1050℃以下であることが好ましい。
内部電極層用の導電ペーストとしてニッケルを主成分とするペーストを使用する場合は、焼成温度は、1100℃以上、1300℃以下であることが好ましい。
積層体からの内部電極層の引き出しをより確実にするために、積層体の端面にバレル研磨を施してもよい。
導電ペーストに含まれる金属粒子とガラスフリットの合計に対するガラスフリットの体積割合が29%以下となるようにすることが好ましい。
また、導電ペーストに含まれる金属粒子とガラスフリットの合計に対するガラスフリットの体積割合が20%以上となるようにすることが好ましい。
積層体の両端面にこの導電ペーストを塗布し、焼き付けて焼付電極からなる外部電極を形成する。焼き付け温度は、700℃以上、900℃以下とすることが好ましい。また、非酸化性雰囲気中で焼き付けを行うことが好ましい。
上記工程を経て、積層セラミックコンデンサを製造することができる。
(積層体の作製)
セラミック材料としてのCaZrO3に、ポリビニルブチラール系バインダ、可塑剤及び有機溶剤としてのエタノールを加え、これらをボールミルにより湿式混合し、セラミックスラリーを作製した。次いで、このセラミックスラリーをリップ方式によりシート成形し、矩形のセラミックグリーンシートを得た。
次に、上記セラミックグリーンシート上に、銅を含有する導電ペーストをスクリーン印刷し、銅を主成分とする内部電極パターンを形成した。
導電ペーストとして、銅粉末50重量%、共材としてのジルコン酸カルシウムを4重量%含み、さらに溶剤、分散剤及びバインダを含むペーストを使用した。
次に、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを、内部電極層の引き出されている側が互い違いになるように複数枚積層し、コンデンサ本体となるべき生の積層シートを得た。次に、この生の積層シートを、加圧成形し、ダイシングにより分割してチップを得た。得られたチップをN2雰囲気中にて900℃で加熱して、バインダを燃焼させた後、H2、N2及びH2Oガスを含む還元性雰囲気中において焼成し、焼結した積層体を得た。積層体の構造は、複数のセラミック層と複数の内部電極層を有する構造である。積層体の寸法は、長さ方向0.22mm×幅方向0.11mm×積層方向0.11mmであった。
焼付電極を形成するための導電ペーストを調製した。
導電ペーストの詳細な仕様は、以下の通りとした。
固形分量:25vol%(残りの75vol%はアクリル樹脂とターピネオール)
固形分中の銅粉末の比率:74vol%
固形分中のガラスフリットの比率:26vol%
内部電極パターンの形成に使用する導電ペーストの組成を、さらに溶剤、分散剤及びバインダを含む一般的なペーストに変更した他は実施例1と同様にして積層セラミックコンデンサを製造した。
内部電極パターンの形成に使用する導電ペーストの組成を、さらに溶剤、分散剤及びバインダを含む一般的な別のペーストに変更した他は実施例1と同様にして積層セラミックコンデンサを製造した。
各実施例及び比較例で製造した積層セラミックコンデンサについて、図3に示すようなLW断面が露出するように断面研磨を行い、図4に示すような、内部電極層の幅方向の端部の位置での断面写真を倍率2000倍で撮影した。
撮影した断面写真の視野範囲において内部電極層の形状を多角形とみなした場合に内部電極層とセラミック層の境界線となる直線を引いて長さXを測定した。また、内部電極層とセラミック層の実際の境界線に沿って測定した長さYを測定した。
図8は、実施例1の積層セラミックコンデンサにつき、内部電極層の幅方向の端部の形状を撮影した断面写真である。
図9は、比較例1の積層セラミックコンデンサにつき、内部電極層の幅方向の端部の形状を撮影した断面写真である。
図8及び図9には、長さXを求めるための直線X及び長さYを求めるための境界線Yを合わせて示した。
長さXに対する長さYの比(Y/X)は以下の通りであった。
実施例1:2.3
比較例1:3.9
比較例2:3.2
上記[積層体のLW断面の観察]において撮影した断面写真から、内部電極層とセラミック層の境界線となる直線に対して、内部電極層とセラミック層の実際の境界線が上に出る部分である凸部の幅P1と、下に出る部分である凹部の幅P2の合計値を算出した。結果は以下の通りであった。
実施例1:9μm
比較例1:10μm
比較例2:11μm
上述した方法により、視野範囲に図3に示す領域Bを含む倍率2000倍で撮影した電子顕微鏡画像において、その視野全体の面積に対して実際に内部電極層が存在する面積の比率を求めることで面カバレッジを算出した。
図10は、実施例1における面カバレッジを算出するための電子顕微鏡画像である。破線で囲んだ領域が面カバレッジを算出するための領域Bである。
結果は以下の通りであった。
実施例1:90%
比較例1:77%
比較例2:86%
各実施例及び比較例で製造した積層セラミックコンデンサをそれぞれ10個ずつ準備し、インピーダンスアナライザ(アジレント社製 E4991B)を用いて測定したESR値を内部電極層の枚数で割った単位電極層あたりのESRを算出し、10個の平均値を求めた。測定条件は1GHz、1Vrmsとした。
図11は、長さXに対する長さYの比(Y/X)と単位電極層当たりのESRの関係を示すグラフである。
図11に示すように、積層セラミックコンデンサを高周波領域で使用する場合の好ましい単位電極層当たりのESRの判定値を1.4と設定した。
Y/Xの値と単位電極層当たりのESRの関係を示すプロットに基づき引いた直線がこの単位電極層当たりのESR判定値を下回る範囲が好ましい範囲であるため、Y/Xは3.0以下であることが好ましいことが理解できる。
10 積層体
11 第1の主面
12 第2の主面
13 第1の側面
14 第2の側面
15 第1の端面
16 第2の端面
20 セラミック層
30 内部電極層
110 第1外部電極
120 第2外部電極
Claims (8)
- 積層方向に配置された複数のセラミック層と複数の内部電極層とが積層されてなる積層体を備える積層セラミックコンデンサであって、
前記セラミック層がジルコン酸カルシウムを含み、
前記積層体を前記積層方向に直交する面で切断した断面での前記内部電極層の幅方向での端部において、
前記内部電極層とセラミック層の境界線の形状が不規則であり、
前記内部電極層の形状を多角形とみなした場合に前記内部電極層と前記セラミック層の境界線となる直線の長さXに対する、前記内部電極層と前記セラミック層の実際の境界線に沿って測定した長さYの比が、1.2以上、3.0以下であることを特徴とする積層セラミックコンデンサ。 - 前記内部電極層の形状を多角形とみなした場合の多角形の中央領域における、前記内部電極層の面カバレッジは、87%以上、95%以下である請求項1に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記積層体を前記積層方向に直交する面で切断した断面での前記内部電極層の幅方向での端部において、前記内部電極層の形状を多角形とみなした場合に前記内部電極層と前記セラミック層の境界線となる直線に対して、前記内部電極層と前記セラミック層の実際の境界線が上に出る部分である凸部の幅と、下に出る部分である凹部の幅の合計が、5μm以上、11μm以下である請求項1又は2に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記内部電極層が銅を含む請求項1~3のいずれかに記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記積層体の端面に外部電極が形成されており、
前記外部電極は金属及びガラスを含み、前記外部電極におけるガラスの体積割合が29%以下である請求項1~4のいずれかに記載の積層セラミックコンデンサ。 - 前記外部電極に含まれる前記金属が銅である請求項5に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記外部電極におけるガラスの体積割合が20%以上である請求項5又は6に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記外部電極の表面におけるガラスの体積割合Z1と、
前記外部電極の中央におけるガラスの体積割合Z2と、
前記外部電極の前記積層体側におけるガラスの体積割合Z3と、の比率が、
それぞれZ1:Z2:Z3=0.7以上、0.9以下:1:0.7以上、0.9以下である請求項5~7のいずれかに記載の積層セラミックコンデンサ。
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