JP7363732B2 - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents
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Description
前記厚さ方向に積層された複数の誘電体層及び複数の内部電極層を含む素体部と、
前記第1端面及び第2端面のそれぞれに設けられ、前記複数の内部電極層と電気的に接続された一対の外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサであって、
前記素体部を、
・前記複数の内部電極層のうち、前記第1主面から最も近い側に位置する内部電極層と、前記第2主面から最も近い側に位置する内部電極層と、で区画される内層、
・前記内層と前記第1主面とで区画される第1外層、
・前記内層と前記第2主面とで区画される第2外層、
・前記内層、前記第1外層及び前記第2外層と、前記第1側面と、で区画される第1サイドマージン部、及び
・前記内層、前記第1外層及び前記第2外層と、前記第2側面と、で区画される第2サイドマージン部に区分けしたときに、
前記内層、前記第1外層及び前記第2外層のそれぞれにおける誘電体層は、
・バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含む主結晶粒子を有し、さらにチタン(Ti)100mol部に対して、
・ニッケル(Ni)を0.2mol部以上3.0mol部以下、及び
・イットリウム(Y)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群から選択される少なくとも一種の希土類元素(Re)を0.6mol部以上2.0mol部以下、の量で含み、
前記第1外層、前記第2外層、前記第1サイドマージン部及び前記第2サイドマージン部のそれぞれが前記内層と接する界面から内部方向に50μmの距離で離間する面で包囲された領域を内部領域としたときに、前記内部領域における誘電体層は、チタン(Ti)100mol部に対するマグネシウム(Mg)の量が0.05mol部以下である、積層セラミックコンデンサが提供される。
本実施形態の積層セラミックコンデンサは、厚さ方向に相対する第1主面及び第2主面、幅方向に相対する第1側面及び第2側面、及び長さ方向に相対する第1端面及び第2端面を有し、厚さ方向に積層された複数の誘電体層及び複数の内部電極層を含む素体部と、第1端面及び第2端面のそれぞれに設けられ、複数の内部電極層と電気的に接続された一対の外部電極と、を備える。また素体部は、複数の内部電極層のうち、第1主面から最も近い側に位置する内部電極層と、第2主面から最も近い側に位置する内部電極層と、で区画される内層、内層と第1主面とで区画される第1外層、内層と第2主面とで区画される第2外層、内層、第1外層及び第2外層と、第1側面と、で区画される第1サイドマージン部、及び内層、第1外層及び第2外層と、第2側面と、で区画される第2サイドマージン部に区分けされる。さらに内層、第1外層及び第2外層のそれぞれにおける誘電体層は、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含む主結晶粒子を有し、さらにチタン(Ti)100mol部に対して、ニッケル(Ni)を0.2mol部以上3.0mol部以下、及びイットリウム(Y)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群から選択される少なくとも一種の希土類元素(Re)を0.6mol部以上2.0mol部以下、の量で含む。第1外層、第2外層、第1サイドマージン部及び第2サイドマージン部のそれぞれが内層と接する界面から内部方向に50μmの距離で離間する面で包囲された領域を内部領域としたときに、この内部領域における誘電体層は、チタン(Ti)100mol部に対するマグネシウム(Mg)の量が0.05mol部以下である。
誘電体層はセラミックスから構成される。また内層、第1外層及び第2外層のそれぞれにおける誘電体層は、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含む主結晶粒子を有する。この主結晶粒子はチタン酸バリウム(BaTiO3)系化合物からなる。BaTiO3は、一般式:ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物である。BaTiO3は、室温で正方晶系の結晶構造を示し、高い誘電率を示す強誘電体である。そのためBaTiO3系化合物を主成分にすることで、誘電体セラミックの誘電率を高めることができ、コンデンサの大容量化を図ることが可能になる。なお本明細書において、主成分とは、セラミック中の含有割合が最も多い成分のことである。主成分の含有割合は、50質量%以上であってよく、60質量%以上であってよく、70質量%以上であってよく、80質量%以上であってよく、90質量%以上であってもよい。
内部電極層は導電性金属を含む。導電性金属として、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、及びこれらを含む合金などの公知の電極材料を用いればよい。しかしながら、低コスト化の観点から卑金属たるNiやCuが好適であり、Niが特に好適である。本実施形態の積層セラミックコンデンサは、Ni内部電極層を備えていてもMg-Ni突起の発生が抑えられるため、信頼性向上を図ることが可能である。内部電極層は、導電性金属以外の他の成分を含んでもよい。他の成分として、共材として働くセラミック成分を挙げることができる。セラミック成分として、誘電体層に含まれるBaTiO3系化合物が例示される。また内部電極層の厚さは、好適には0.20μm以上0.80μm以下であり、内部電極層の層数は、好適には15枚以上700枚以下である。
外部電極として、公知の構成を採用できる。例えば、積層セラミックコンデンサの端面側から、下地層、第1めっき層、及び第2めっき層からなる積層構造とすることができる。下地層は、例えばニッケル(Ni)や銅(Cu)などの金属を含む。また共材としてセラミック粉末を金属の他に含んでもよい。第1めっき層は、例えばニッケル(Ni)めっき層である。第2めっき層は、例えばスズ(Sn)めっき層である。また下地層と第1めっき層との間に、導電性樹脂層を設けてもよい。導電性樹脂層は、銅(Cu)、銀(Ag)及びニッケル(Ni)等の導電性金属粒子と樹脂とを含む層である。外部電極は、内部電極層と電気的に接続され、外部入出力端子として機能するものであれば、その態様は限定されない。
本実施形態の積層セラミックコンデンサは、第1側面側及び第2側面側のそれぞれに、第1サイドマージン部及び第2サイドマージン部を備える。側面側にサイドマージン部を設けているので、内部電極層が側面側へ露出していない。そのため、外部雰囲気中の水分が側面を通って積層セラミックコンデンサの内部に侵入することが防止される。またサイドマージン部を設けることで、静電容量に寄与しない余白部の厚さを薄くすることができるとともに、その厚さを厳密に管理することができる。その結果、積層セラミックコンデンサの大容量化及び容量バラツキの低減が可能になる。サイドマージン部は、BaTiO3系化合物などのペロブスカイト型化合物からなる主結晶粒子を有するものとすればよい。また主結晶粒子の他に、ニッケル(Ni)、希土類元素(Re)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、及びバナジウム(V)などの添加成分を含んでもよい。さらにジルコニウム(Zr)などの不可避不純物を含んでもよい。
本実施形態の積層セラミックコンデンサは、上述した要件を満足する限り、その製造方法は限定されない。しかしながら好適には以下の方法で製造される。好適な製造方法は、以下の工程:誘電体層用の主成分原料を準備する工程(準備工程)、主成分原料に添加成分原料を混合して誘電体原料にする工程(混合工程)、誘電体原料にバインダ―及び溶媒を添加及び混合してスラリー化し、得られたスラリーから誘電体層用グリーンシートを成形する工程(成形工程)、内部電極用導電ペーストを用いて、誘電体層用グリーンシートの表面にパターン化された導電ペースト層を印刷する工程(印刷工程)、複数枚の誘電体層用グリーンシートを積層及び圧着して、積層ブロックを作製する工程(積層工程)、得られた積層ブロックを切断して積層チップにする工程(切断工程)、得られた積層チップの側面にサイドマージングリーン体を付着させて、グリーン素体部にする工程(サイドマージン形成工程)、得られたグリーン素体部に脱バインダ処理及び焼成処理を施して、素体部にする工程(焼成工程)、及び得られた素体部に外部電極を形成して、積層セラミックコンデンサにする工程(外部電極形成工程)を備える。各工程の詳細を以下に説明する。
準備工程では、誘電体層になる主成分原料と添加成分原料を準備する。主成分原料として、ペロブスカイト型構造(ABO3)を有するBaTiO3系化合物の粉末を用いることができる。BaTiO3系化合物は、固相反応法、水熱合成法、アルコキシド法などの公知の手法で合成すればよい。ただし主成分原料は、その粒径D50が110nm以上150nm以下であり、ペロブスカイト構造のc軸/a軸比が1.0085~1.0100であるものが好適である。ここで粒径D50は円相当径である。円相当径は、SEMを用いてグレインの観察を行い、得られた画像を解析して求めることができる。このような主成分原料を用いることで、絶縁特性及び信頼特性に優れる積層セラミックコンデンサを得ることができる。
混合工程では、主成分原料に、添加成分(Ni、Re、Mg、Mn、Si、Al、V等)原料を混合して誘電体原料にする。添加成分原料として、酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩、有機酸塩、アルコキシド及び/又はキレート化合物など公知のセラミック原料を用いればよい。混合手法は特に限定されない。例えば、秤量した主成分原料と添加成分原料を粉砕媒体及び純水とともにボールミルを用いて湿式で混合及び粉砕する手法が挙げられる。湿式で混合を行った場合には、混合物を乾燥すればよい。
成形工程では、誘電体原料にバインダ及び溶媒を添加及び混合してスラリー化し、得られたスラリーから誘電体層用グリーンシートを成形する。誘電体層用グリーンシートは、焼成後に積層セラミックコンデンサの内層及び外層を構成する誘電体層になる。バインダとして、ポリビニルブチラール系バインダなど公知の有機バインダを用いればよい。また溶媒として、トルエンやエタノールなどの公知の有機溶媒を用いればよい。必要に応じて可塑剤などの添加剤を加えてもよい。成形は、リップ法などの公知の手法で行えばよい。成形後のシート厚は、例えば1μm以下である。
印刷工程では、内部電極層用の導電ペーストを用いて、誘電体層用グリーンシートの表面に、パターン化された導電ペースト層を形成する。導電ペースト層は、焼成後に内部電極層になる。導電ペーストに含まれる導電性金属としてニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、及びこれらを含む合金などの導電材料を用いればよい。しかしながらニッケル(Ni)が好適である。また導電ペーストには共材として働くセラミック成分を加えてもよい。セラミック成分として、誘電体層の主成分原料を用いることができる。導電ペースト層の形成手法は特に限定されない。例えばスクリーン印刷、グラビア印刷などの手法が挙げられる。
積層工程では、複数枚の誘電体層用グリーンシートを積層及び圧着して、積層ブロックを作製する。この際、導電ペースト層を形成していない誘電体層用グリーンシートで上下から挟み込むように、導電ペースト層を形成した複数枚の誘電体層用グリーンシートを積層する。導電性ペースト層を形成していないグリーンシートは、焼成工程を経て、積層セラミックコンデンサの外層になる。一方で、導電性ペースト層を形成したグリーンシートは、積層セラミックコンデンサの内層を構成する誘電体層になる。積層するグリーンシートの枚数は、必要とされる容量を得るように調整すればよい。
切断工程では、得られた積層ブロックを切断して積層チップにする。切断は、所定のサイズのチップが得られ、且つ導電ペースト層の少なくとも一部が積層チップの端面及び側面に露出するように行えばよい。
サイドマージン形成工程では、積層チップの側面にサイドマージングリーン体を付着させて、グリーン素体部にする。サイドマージングリーン体により、積層チップ側面に露出する導電ペースト層が覆われる。またサイドマージングリーン体は、焼成後に積層セラミックコンデンサのサイドマージン部になる。サイドマージングリーン体の原料として、誘電体層作製に用いた主成分原料と添加成分原料を用いることができる。しかしながらサイドマージンの組成を誘電体層組成と同一にする必要はなく、異なる組成としてもよい。例えば、誘電体層の添加成分の一部のみを用いてもよく、あるいは誘電体層とは異なる添加成分を加えてもよい。一方でサイドマージン部の組成を誘電体層と同一にしてもよい。
焼成工程では、グリーン素体部に脱バインダ処理及び焼成処理を施して、素体部にする。焼成処理により導電ペースト層と誘電体層用グリーンシートとが共焼結されて、それぞれ内部電極層と誘電体層とになる。脱バインダ処理の条件はグリーンシート及び導電ペースト層に含まれる有機バインダの種類に応じて決めればよい。また焼成処理は、積層チップが十分に緻密化する温度で行えばよい。例えば1200℃以上1300℃以下の温度で0分以上10分以下保持する条件で行えばよい。また焼成は、主成分たるBaTiO3系化合物が還元されることなく、且つ導電性材料の酸化が抑制される雰囲気で行う。例えば酸素分圧1.8×10-9~8.7×10-10MPaのN2-H2-H2O気流中で行えばよい。さらに焼成後にアニール処理を施してもよい。
外部電極形成工程では、素体部に外部電極を形成して、積層セラミックコンデンサにする。外部電極の形成は公知の手法で行えばよい。例えば、素体部の内部電極が引き出されて露出した端面に、CuやNiなどの導電成分を主成分とする導電ペーストを塗布及び焼き付けて下地層を形成する。下地層は、焼成前のグリーン素体部の両端面に導電ペーストを塗布した後に焼成処理を施す手法で形成してもよい。下地層を形成した後、電解めっきを施して下地層の表面にNi、Snなどのめっき皮膜を形成すればよい。これにより積層セラミックコンデンサが作製される。
例1~例67につき、誘電体層の組成を変化させて、積層セラミックコンデンサを作製し、その評価を行った。誘電体層の組成とコンデンサの特性を表1に示す。
製造後の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層及びサイドマージン部の組成が、表3に示す組成になるように、原料配合量を調整した。それ以外は、例6と同様にして積層セラミックコンデンサを作製した。
製造後の積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層及びサイドマージン部の組成が表3に示す組成になるように、原料配合量を調整した。それ以外は、例1と同様にして積層セラミックコンデンサを作製した。
作製した積層セラミックコンデンサにつき、各種特性の評価を以下のとおり行った。
積層セラミックコンデンサの断面において、サイドマージン部をレーザーアブレーションICP-MSで分析した。また、内部領域(22)以外を研磨で除去し、粉砕後、内部電極Niを磁石で除去した。残ったセラミックスをICP-MSで分析し、誘電体層の組成を分析した。
積層セラミックコンデンサの断面について、TEM-EDXを用いてマッピング分析を行い、結晶粒子内のニッケル(Ni)及び希土類元素(Re)の分布を調べた。具体的には積層セラミックコンデンサ中央部をLT断面が得られるように研磨して、誘電体層を露出させた。露出した誘電体層の中央部近傍における主結晶粒子についてTEM観察を行い、EDXを用いて粒子内の原子分布を示すマッピング像を得た。観察は100個の粒子に対して行った。そして得られたマッピング像を画像解析して、Ni濃度及びRe濃度を数値化した。得られたデータを用いて、主結晶粒子中のNi含有粒子の個数割合、Ni高濃度領域の面積割合を求めた。
積層セラミックの静電容量を、自動ブリッジ式測定機を用いて測定した。測定は温度25℃、実効電圧0.5Vrms、周波数1kHzの条件で行った。得られた静電容量を、内層部の誘電体層の体積で除して、単位体積あたりの静電容量(体積容量)を求めた。
20個のサンプルにつき、室温下で、サンプルの外部電極間に4Vの直流電圧を印可して60秒間保持して充電を行った。充電後の各サンプルの絶縁抵抗を測定し、その対数値の平均をLogIRとして求めた。
100個のサンプルについて絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗が100Ω以下となったサンプルの個数を数えた。絶縁抵抗100Ω以下のサンプル数を全サンプル数で除して、ショート率を算出した。
100個のサンプルにつき、温度150℃、印加電圧3.2Vの条件で高温負荷試験を行い、50又は200時間経過後の絶縁抵抗IR(Ω)を測定した。LogIR≦4となるサンプルを不良(NG)と判別して、不良サンプル数からNG率を算出した。
100個のサンプルにつき、温度125℃、湿度95%RH、印加電圧2V又は4Vの条件で耐湿負荷試験を行い、72時間経過後の絶縁抵抗IR(IR)を測定した。LogIR≦4となるサンプルを不良(NG)と判別して、不良サンプル数からNG率を算出した。
[例1~例29]
例1~例29で得られた積層セラミックコンデンサについて、誘電体層の組成とコンデンサ特性を表1に示す。例1~例29は、内層及び外層における誘電体層について、Ni量、Re量、Mg量、及びReの種類を変えたサンプルである。例1、例2、例10、例11、例17、及び例19~例21は本実施形態の要件を満足しない比較例であり、それ以外は実施例である。
例30~例67で得られた積層セラミックコンデンサについて、誘電体層の組成とコンデンサ特性を表2に示す。例30~例67は、内層及び外層における誘電体層について、Mn量、Si量、Al量、V量、及びBa/Tiモル比(A/Bモル比)を変えたサンプルである。また例32、例39、例46、例54及び例61は、例6と同じサンプルである。
例68~例82で得られた積層セラミックコンデンサについて、誘電体層及びサイドマージン部の組成とコンデンサ特性を表3に示す。例82は、内層及び外層における誘電体層の組成が本実施形態の要件を満足しない比較例であり、それ以外は実施例である。
B:体積容量が80μF/mm3以上、高温負荷試験NG率(50時間)が5%以下、耐湿負荷試験NG率(2V)が5%以下、耐湿負荷試験NG率(4V)が5%以下のいずれか3項目を満足する。
C:A及びBの要件を満足しない。
4 内部電極層
6 素体部
8a 第1外部電極
8b 第2外部電極
10a 第1主面
10b 第2主面
12a 第1側面
12b 第2側面
14a 第1端面
14b 第2端面
16 内層
18a 第1外層
18b 第2外層
20a 第1サイドマージン部
20b 第2サイドマージン部
22 内部領域
100 積層セラミックコンデンサ
Claims (8)
- 厚さ方向に相対する第1主面及び第2主面、幅方向に相対する第1側面及び第2側面、及び長さ方向に相対する第1端面及び第2端面を有し、
前記厚さ方向に積層された複数の誘電体層及び複数の内部電極層を含む素体部と、
前記第1端面及び第2端面のそれぞれに設けられ、前記複数の内部電極層と電気的に接続された一対の外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサであって、
前記素体部を、
・前記複数の内部電極層のうち、前記第1主面から最も近い側に位置する内部電極層と、前記第2主面から最も近い側に位置する内部電極層と、で区画される内層、
・前記内層と前記第1主面とで区画される第1外層、
・前記内層と前記第2主面とで区画される第2外層、
・前記内層、前記第1外層及び前記第2外層と、前記第1側面と、で区画される第1サイドマージン部、及び
・前記内層、前記第1外層及び前記第2外層と、前記第2側面と、で区画される第2サイドマージン部に区分けしたときに、
前記内層、前記第1外層及び前記第2外層のそれぞれにおける誘電体層は、
・バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含む主結晶粒子を有し、さらにチタン(Ti)100mol部に対して、
・ニッケル(Ni)を0.2mol部以上3.0mol部以下、及び
・イットリウム(Y)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群から選択される少なくとも一種の希土類元素(Re)を0.6mol部以上2.0mol部以下、の量で含み、
前記第1外層、前記第2外層、前記第1サイドマージン部及び前記第2サイドマージン部のそれぞれが前記内層と接する界面から内部方向に50μmの距離で離間する面で包囲された領域を内部領域としたときに、前記内部領域における誘電体層は、チタン(Ti)100mol部に対するマグネシウム(Mg)の量が0.05mol部以下(ただし、0mol部を除く)である、積層セラミックコンデンサ。 - 前記第1外層、前記第2外層及び前記内層のそれぞれにおける誘電体層は、チタン(Ti)100mol部に対して、
・マンガン(Mn)を0.08mol部以上0.40mol部以下、
・ケイ素(Si)を0.6mol部以上2.0mol部以下、
・アルミニウム(Al)を0.04mol部以上0.30mol部以下、及び
・バナジウム(V)を0.04mol部以上0.20mol部以下の量で含む、請求項1に記載の積層セラミックコンデンサ。 - 前記第1外層、前記第2外層及び前記内層のそれぞれにおける誘電体層は、チタン(Ti)100mol部に対して、バリウム(Ba)を99.5mol部以上101.5mol部以下の量で含む、請求項1又は2に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記第1外層、前記第2外層及び前記内層のそれぞれにおける誘電体層の主結晶粒子は、Ni低濃度領域と、ニッケル(Ni)濃度が前記Ni低濃度領域の1.3倍以上であるNi高濃度領域と、を備えるNi含有粒子を含み、
前記主結晶粒子中の前記Ni含有粒子の個数割合が4%以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の積層セラミックコンデンサ。 - 前記Ni含有粒子が、Ni高濃度領域を9%以上の面積割合で含む粒子である、請求項4に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記Ni高濃度領域におけるチタン(Ti)100mol部に対する希土類元素(Re)の量は、前記Ni低濃度領域におけるチタン(Ti)100mol部に対する希土類元素(Re)の量に対して1.3倍以上である、請求項4又は5に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記第1サイドマージン部及び第2サイドマージン部が、チタン(Ti)と、さらにチタン(Ti)100モル部に対し、1.00mol部以上3.00mol部以下のマグネシウム(Mg)及び0.50mol部以上2.00mol部以下のマンガン(Mn)の少なくとも一方を含み、マグネシウム(Mg)とマンガン(Mn)の合計含有量が5.00mol部以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の積層セラミックコンデンサ。
- 前記内部電極層がニッケル(Ni)を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の積層セラミックコンデンサ。
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