JP7396157B2 - 誘電体磁器組成物および電子部品 - Google Patents

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Description

本発明は、誘電体磁器組成物、および、当該誘電体磁器組成物から構成される誘電体層を備える電子部品に関する。
現在セラミックコンデンサは幅広い用途で使用されており、要求される特性も様々である。高温環境での使用が想定される自動車向け製品では、良好な容量温度特性が求められる。一方で自動車の電動化が進む今日では信頼性の要求も高まっており、高温・高電界下において高い信頼性を持つセラミックコンデンサが求められている。
たとえば特許文献1では、積層セラミックコンデンサの評価にあたり、容量温度変化率TCCと高温負荷試験を行っている。しかし現状ではさらに厳しい条件において、良好な容量温度特性および高い信頼性を示すことができるセラミックコンデンサが求められている。
特開2000-223351号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、良好な温度特性を有し、なおかつ高温・高電界下において高い信頼性を有する誘電体磁器組成物および当該誘電体磁器組成物で構成された電子部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る誘電体磁器組成物は、チタン酸バリウムを主成分とし、副成分としてR元素の酸化物、M元素の酸化物、およびSiを含む酸化物を有する誘電体磁器組成物であって、
前記R元素はEu,Gd,Tb,Dy,Y,HoおよびYbからなる群から選ばれる1以上の元素であり、
前記M元素はMg,Ca,Mn,VおよびCrからなる群から選ばれる1以上の元素であり、
換算での前記R元素の酸化物の含有量とSiO換算での前記Siを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、
MO換算での前記M元素の酸化物の含有量とSiO換算での前記Siを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、
前記誘電体磁器組成物を構成する誘電体粒子の個数の50%以上がコアシェル構造を有するコアシェル誘電体粒子であり、
前記コアシェル誘電体粒子のシェル部ではチタン酸バリウムに前記R元素、前記M元素およびSiから選ばれる少なくとも1つが固溶しており、
前記コアシェル誘電体粒子のコア部は実質的にチタン酸バリウムから成ることを特徴としている。
本発明者は、本発明に係る誘電体磁器組成物が上記の構成であることにより、本発明に係る誘電体磁器組成物を有する積層セラミックコンデンサ等の電子部品は良好な温度特性を有し、なおかつ高温・高電界下において高い信頼性を有することを見出した。
本発明に係る誘電体磁器組成物は、前記チタン酸バリウム100モル部に対して、
換算で前記R元素の酸化物が1.0モル部以上3.2モル部以下含まれ、
MO換算で前記M元素の酸化物が0.2モル部以上1.6モル部以下含まれ、
SiO換算で前記Siを含む酸化物が0.8モル部以上3.2モル部以下含まれることが好ましい。
本発明に係る誘電体磁器組成物が上記の構成であることにより、本発明に係る誘電体磁器組成物は良好な温度特性を有し、なおかつ高温・高電界下において高い信頼性を有し、さらに高温絶縁比抵抗値が向上すると共に、比誘電率が向上する。
本発明に係る電子部品は、上記の誘電体磁器組成物で構成される誘電体層を有する。
本発明に係る電子部品は、前記誘電体層を挟んでいる一対の電極層をさらに有する電子部品であって、
前記誘電体粒子の少なくとも一部は全固溶誘電体粒子であり、
前記誘電体層と一方の前記内部電極層との境界から、前記誘電体層と他方の前記内部電極層との境界までを結ぶ前記内部電極層に垂直な線分の長さをLAとし、
前記線分上の前記シェル部および前記全固溶誘電体粒子の長さの合計をLBとしたとき、
前記LAに対する前記LBの比(LB/LA)が0.2以上0.9以下であることが好ましい。
本発明に係る電子部品が上記の構成であることにより、本発明に係る電子部品は高温・高電界下においてより高い信頼性を有する。
本発明に係る電子部品は、前記誘電体粒子の平均粒径が0.15μm以上0.30μm以下であることが好ましい。
本発明に係る電子部品が上記の構成であることにより、本発明に係る電子部品はより良好な温度特性を有すると共に、より高い信頼性を有する。
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容量領域の模式断面図である。 図3は、図2のIII部の拡大断面図である。 図4は、本発明の(LB/LA)の測定を説明するための説明図である。
図1に示すように、電子部品の一例としての積層セラミックコンデンサ1は、誘電体層2と、内部電極層3と、が交互に積層された構成の素子本体10を有する。内部電極層3は、各端面が素子本体10の対抗する2端部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、素子本体10の両端部に形成され、交互に配置された内部電極層3の露出端面に接続されて、コンデンサ回路を構成する。
本実施形態において、容量領域は、積層方向に沿って内部電極層3が誘電体層2を挟んで積層する領域である。
素子本体10の形状に特に制限はないが、図1に示すように、通常、直方体である。また、その寸法にも特に制限はない。
本実施形態に係る誘電体層2の厚みは特に制限されないが、1.0μm以上10.0μm以下であることが好ましく、より好ましくは2.0μm以上5.0μm以下である。誘電体層2の厚みが上記の範囲内であることにより、誘電体層2の積層方向に後述する誘電体粒子20を所定量含むことができる。
誘電体層2の積層数は特に制限されないが、10以上であることが好ましく、より好ましくは50以上、特に好ましくは100以上である。積層数の上限は、特に限定されないが 、たとえば2000程度である。
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、誘電体層2を構成する材料が耐還元性を有するため、比較的安価な卑金属を用いることができる。導電材として用いる卑金属としては、NiまたはNi合金が好ましい。Ni合金としては、Mn、Cr、CoおよびAlから選択される1種以上の元素とNiとの合金が好ましく、合金中のNi含有量は 95質量%以上であることが好ましい。なお、NiまたはNi合金中には、P等の各微量成分が合計0.1質量%程度以下含まれていても良い。内部電極層3の厚さは用途に応じて 適宜変更でき、特に限定されない。通常、0.1~3.0μm、好ましくは0.5~2.0μm程度である。
外部電極4に含有される導電材は特に限定されないが、本実施形態では安価なNi、Cuや、これらの合金を用いることができる。外部電極4の厚さは用途等に応じて適宜決定すれば良いが、通常、10~50μm程度であることが好ましい。
誘電体層2は、本実施形態に係る誘電体磁器組成物から構成されている。本実施形態に係る誘電体磁器組成物は、チタン酸バリウムを主成分としている。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物は副成分として、R元素の酸化物、M元素の酸化物、およびSiを含む酸化物を有する。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物は、所望の特性に応じて、さらにその他の成分を含有していても良く、たとえばバリウム化合物などを含有していても良い。
本実施形態において、R元素の酸化物を構成するR元素はEu,Gd,Tb,Dy,Y,HoおよびYbの中からなる群から選ばれる1種以上の元素であり、好ましくは、Gd、Dyおよび/またはYである。R元素は1種を単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。
本実施形態において、M元素の酸化物を構成するM元素はMg,Ca,Mn,VおよびCrからなる群から選ばれる1種以上の元素であり、好ましくは、Mg、Mnおよび/またはVである。M元素は1種を単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。
本実施形態において、Siを含む酸化物は特に限定されず、SiO等の酸化物であっても良いし、Siと他の元素たとえばアルカリ土類金属元素との複合酸化物であっても良い。本実施形態では、Siを含む酸化物としては、SiOが好ましい。
酸化物換算(R換算)でのR元素の酸化物の含有量(CR)とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量(CSi)との比率(CR:CSi)は、0.8:1~2.2:1の間に含まれる。
酸化物換算(MO換算)でのM元素の酸化物の含有量(CM)とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量(CSi)との比率(CM:CSi)は、0.2:1~1.8:1の間に含まれ、好ましくは0.3:1~1:1の間に含まれる。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、R換算でR元素の酸化物が1.0モル部以上3.2モル部以下含まれることが好ましく、1.5モル部以上3.2モル部以下含まれることがより好ましい。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、MO換算でM元素の酸化物が0.2モル部以上1.6モル部以下含まれることが好ましい。本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、酸化物換算でM元素の酸化物が0.2モル部以上1.0モル部以下含まれることがより好ましい。これにより、比誘電率が向上する。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、MO換算でM元素の酸化物が0.3モル部以上1.0モル部以下含まれることがより好ましい。これにより、高温絶縁比抵抗値が向上する。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、SiO換算で前記Siを含む酸化物が0.8モル部以上3.2モル部以下含まれることが好ましく、0.8モル部以上2.0モル部以下含まれることがより好ましい。
上記の通り、本実施形態に係る誘電体層2は、本実施形態に係る誘電体磁器組成物で構成されている。また、図2に示すように、本実施形態に係る誘電体層2は、誘電体粒子20を含み、さらに副成分等が偏析して形成された偏析粒子22を含んでいても良い。なお、偏析粒子22は誘電体粒子20には含まれない。
本実施形態では、誘電体粒子20の個数の50%以上がコアシェル構造を有するコアシェル誘電体粒子200である。また、誘電体粒子20は、コアシェル誘電体粒子200の他、全固溶誘電体粒子202であっても良い。
コアシェル誘電体粒子200は、副成分(R元素、M元素およびSiから選ばれる少なくとも1つ)が主成分(チタン酸バリウム)粒子の一部(周辺部)のみに存在している。具体的には、コアシェル誘電体粒子200は実質的に主成分からなるコア部200aと、コア部200aの周囲に存在し、R元素が主成分に拡散しているシェル部200bと、から構成される。すなわち、コア部200aは実質的に主成分からなっており、シェル部200bは副成分に含まれる元素が固溶した主成分からなっている。
なお、コア部200aは実質的に主成分からなっているが、副成分等のその他の成分を含んでいても良く、0.0質量%~5.0質量%含んでいても良い。なお、コア部200aに含まれる副成分等のその他の成分の濃度は、シェル部200bに含まれる副成分等のその他の成分の濃度よりも低い。
コアシェル誘電体粒子200であると判断する方法は特に限定されないが、たとえば下記の方法が挙げられる。
コンデンサ試料を内部電極層3に垂直な面で切断後、表面に対してエッチング処理を行う。次にコンデンサ試料の誘電体層2についてTEM-EDSを用いて各元素の特性X線の定量分析を行い、各元素についてのマッピング画像を得る。
TEM像とTEM-EDS像とを比較し、BaおよびTiの濃度が周囲に比べ高い粒子を誘電体粒子20であると認定する。また、誘電体粒子20の境界部を粒界部であると認定し、誘電体粒子20に比べ副成分の濃度が3倍以上の粒子を偏析粒子22であると認定する。
得られたR元素の特性X線を定量分析して、R元素についてのマッピング画像を得る。
視野内に30個以上、好ましくは30個~200個の誘電体粒子20が存在する状態で観察し、偏析粒子22を除く部分でのR元素の輝度の最大値の30%以上の輝度を有する領域をシェル部200bとした。また、誘電体粒子20の面積に対するシェル部200bの面積が95%以下である誘電体粒子20をコアシェル誘電体粒子200であると判断しても良い。
なお、誘電体粒子20の面積に対するシェル部200bの面積が95%を超える場合を全固溶誘電体粒子202と判断してもよい。全固溶誘電体粒子202では、副成分が主成分粒子の全体に拡散して固溶して存在している。
本実施形態では、上記の視野内の誘電体粒子20の個数の50%以上がコアシェル誘電体粒子200である。
なお、コアシェル誘電体粒子200および全固溶誘電体粒子202を含む誘電体粒子20はチタン酸バリウムおよび副成分の他にも、所望の特性に応じた成分を含んでいても良い。
偏析粒子22においても、副成分の他にも、所望の特性に応じた成分を含んでいても良い。
本実施形態では、図2および図3に示すように誘電体層2に対して、内部電極層3(電極)に垂直な仮想線である線分VLを引く。言い換えると、線分VLは誘電体層2と内部電極層3との積層方向に平行であり、電圧が印加される方向に平行である。
線分VLは誘電体層2と内部電極層3の境界を始点とし、当該誘電体層2と当該誘電体層2が接している他方の内部電極層3との境界を終点とする。本実施形態では、線分VLの長さをLAとする。言い換えると、誘電体層2と一方の内部電極層3との境界から、誘電体層2と他方の内部電極層3との境界までを結ぶ内部電極層3に垂直な線分の長さをLAとする。
本実施形態では線分VL上のシェル部200bおよび全固溶誘電体粒子202の長さの合計をLBとする。具体的には、図3により説明する。図3の線分VLにおいて、L1はシェル部200bであり、L2はコア部200aであり、L3はシェル部200bであり、L4は偏析粒子22であり、L5は全固溶誘電体粒子202であり、L6はシェル部200bであり、L7はコア部200aであり、L8はシェル部200bである。このため、「LB=L1+L3+L5+L6+L8」となる。
本実施形態では、LAに対するLBの比(LB/LA)が0.2以上0.9以下であることが好ましく、0.3以上0.9以下であることがより好ましい。
なお、図3では、誘電体層2の層間において、線分VLに沿ってコアシェル誘電体粒子200が2個と全固溶誘電体粒子202が1個であるため、誘電体粒子20は全部で3個であるが、誘電体層2の層間における誘電体粒子20の個数は特に限定されないが、一定の間隔で線分VLを10本引いた時の誘電体粒子20の平均値が3個~50個であることが好ましい。
本実施形態において、LB/LAを決定する方法は特に限定されないが、たとえば以下の方法によりLB/LAを決定することができる。
まず、図4に素子本体10として示すように、内部電極層3a,bに垂直方向に研磨してエッチング処理して一対の内部電極層3a,3bで挟まれる誘電体層2が現れるようにする。
このような一対の内部電極層3a,bで挟まれた誘電体層2について、内部電極層3a,3bに対して垂直方向であり、かつ、内部電極層3aと誘電体層2との境界から当該誘電体層2に接している他方の内部電極層3bと誘電体層2との境界まで10本~100本の線分VLを引く。言い換えると、誘電体層2と一方の内部電極層3との境界から、誘電体層2と他方の内部電極層3との境界までを結ぶ内部電極層3に垂直な線分VLを上記の本数引く。図4ではVL1~VL10までの10本の線分VLを引いている。各線分VLの長さがLAとなる。VLの間隔は一定であることが好ましく、その間隔は0.1~0.5μmであることが好ましい。
図4のgraph αに示すように、線分VL上でのR元素の輝度を測定してグラフ化する。図4のgraph αにおいて、X軸は線分VLに沿う測定位置を示し、Y軸はR元素の輝度を示す。Y軸のR元素の輝度は、任意の点におけるR元素の含有量に比例した値であり、単位は無次元である。なお、図4のgraph αはスムージング処理をしてある。このように、graph αはスムージング処理してあることが好ましい。
また、図4にはgraph αを1つしか記載していないが、線分VLはVL1からVL10まで10本あるため、このようなgraph αが10個作成される。なお、図4のgraph αおよび後述するgraph βはVL1に関する。
次に、各線分VLにおいてR元素の輝度の最小値を求め、それらの平均値(平均Rmin)を求める。
平均Rminをバックグラウンドとして各graph αからバックグランドを引いた各graph βを作成する。
次に、各線分VLにおけるgraph βでのR元素の輝度の最大値を求め、それらの平均値(平均Rmax)を求める。この際に、線分VL上に偏析粒子22がある場合には、偏析粒子22を除いた区間におけるR元素の輝度の最大値を求めて、それらの平均値(平均Rmax)を求める。
線分VL上に偏析粒子22があるか否かは、たとえば下記の方法により判断することができる。まず、各graph βでR元素の輝度の平均値を求める。そして、その平均値の3倍の値となるピーク値を中心として、隣接する下に凸となっている部分、または、ピーク値の肩の部分を境界として、その境界内の領域を偏析粒子22であると判断できる。たとえば図4のgraph βにおいて、L14の区間が偏析粒子22であると判断しても良い。
図4のgraph βに平均Rmax×0.3となる部分を直線BLで示している。本実施形態では、平均Rmax×0.3以上であり、なおかつ、偏析粒子22はない部分をシェル部200bまたは全固溶誘電体粒子202と判断し、それらの合計をLBとすることができる。具体的には、graph βにおいて、LBはLB=L11+L13+L16+L18+L20の式で求められる。
このようにして、LAとLBをそれぞれ求めて、LB/LAを算出することができる。
なお、本実施形態では、L12、L15、L17およびL19はコア部200bであると判断して良い。
本実施形態は、誘電体粒子20の平均粒径が0.15μm以上0.30μm以下であることが好ましい。これにより、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサはより良好な温度特性を有する。
誘電体粒子20の平均粒径を調整する方法は特に限定されないが、たとえば、主成分粒子の平均粒径を変化させたり、焼成時の保持温度を変化させたりすることにより、調整することができる。
高温環境での使用が想定される自動車向け積層セラミックコンデンサは、良好な容量温度特性が求められる。一方で自動車の電動化が進む今日では積層セラミックコンデンサの信頼性の要求も高まっており、高温・高電界下において高い信頼性を持つ積層セラミックコンデンサが求められている。しかし、良好な温度特性と高い信頼性はトレードオフの関係であり、両立することは困難とされている。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物は上記のような構成であることにより、当該誘電体磁器組成物を有する積層セラミックコンデンサ1などの電子部品は、良好な温度特性を有し、なおかつ高温・高電界下において高い高温負荷寿命すなわち信頼性を有する。
その理由は必ずしも定かではないが、以下の点が考えられる。
本実施形態では、一般的にチタン酸バリウムのBaサイトを置換するR元素は誘電体粒子中に固溶することによりドナー成分として働き、誘電体磁器組成物の信頼性は向上する傾向がある。チタン酸バリウムのTiサイトを置換するM元素は、誘電体粒子中に固溶することによりアクセプタ成分として働き、誘電体磁器組成物の高温絶縁比抵抗は向上する傾向がある。そして、ドナー成分とアクセプタ成分を適切な比率にすることで最も信頼性が向上する。
誘電体粒子中のR元素およびM元素の固溶量が、誘電体磁器組成物の温度特性と密接に関係している。R元素およびM元素の固溶量を適切にすることで最も温度特性が向上する。
まず、(CR:CSi)が上記の範囲に含まれるようにすることにより、R元素の酸化物を効率的に誘電体粒子20中に固溶させることが可能であると考えられる。なぜならば、R元素の酸化物は誘電体粒子20中において、チタン酸バリウムの主にBaサイトを置換しやすい傾向があり、Si元素は誘電体粒子の焼結を促進する働きをするためである。(CR:CSi)において、(CR)が上記の範囲を上回らずに、上記の範囲に含まれることにより、誘電体粒子20の焼結が促進する傾向となる。また、(CR:CSi)において、(CR)が上記の範囲を下回らずに、上記の範囲に含まれることにより、誘電体粒子20中のR元素の固溶量を適度な量にすることができる。以上の理由から、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1は高温・高電界下において高い信頼性を有することができると考えられる。
また、(CM:CSi)が上記の範囲に含まれるようにすることにより、M元素の酸化物を効率的に誘電体粒子20中に固溶させることが可能であると考えられる。なぜならば、M元素の酸化物は誘電体粒子20中において、チタン酸バリウムの主にTiサイトを置換しやすい傾向があり、Si元素は誘電体粒子の焼結を促進する働きをするためである。(CM:CSi)において、(CM)が上記の範囲に含まれることにより、誘電体粒子20中のR元素およびM元素の固溶量を適度な量にすることができる。これにより、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1は良好な温度特性を有することができると考えられる。特に、(CM:CSi)の(CM)が上記の範囲を下回る場合に比べて、M元素の酸化物とSiを含む酸化物との比率が上記の範囲に含まれる場合は、温度特性が良好である。
上記の通り、本実施形態では、(CR:CSi)および(CM:CSi)が上記の範囲に含まれることにより、チタン酸バリウムのBaサイトを置換する元素の量とTiサイトを置換する元素の量を適切にすることができる。このため、本実施形態に係る誘電体磁器組成物はドナー成分とアクセプタ成分のバランスが取れたシェル部200bが一定量存在するコアシェル誘電体粒子200を有することができ、良好な温度特性と高い信頼性を両立することができる。
さらに、LB/LAが上記の範囲を満たすことにより誘電体層2中の電界方向に対して副成分の固溶部(シェル部200bおよび全固溶誘電体粒子202)が存在するため、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1はより高い信頼性を有する。上記の観点から、線分VLは誘電体層2と一方の内部電極層3との境界から、誘電体層2と他方の内部電極層3との境界までを結ぶ内部電極層3に垂直な任意の線分であることが好ましい。これにより、誘電体層2中の電界方向に対して副成分の固溶部(シェル部200bおよび全固溶誘電体粒子202)が常に存在するため、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1はさらに高い信頼性を有する。
なお、LB/LAが上記の範囲を上回る場合に比べて、LB/LAが上記の範囲を満たす場合は温度特性がより良好である。
上記の通り、本実施形態では粒電体粒子200の平均粒径が上記範囲に含まれることにより、高い比誘電率を維持しつつ良好な温度特性を発現することができる。
また、誘電体粒子200の平均粒径が上記の範囲を下回る場合に比べて、誘電体粒子200の平均粒径が上記の範囲である場合には、比誘電率が高くなる傾向となり、誘電体粒子200の平均粒径が上記の範囲を上回る場合に比べて、誘電体粒子200の平均粒径が上記の範囲である場合には、温度特性がより良好になる傾向となる。
なお、高温・高電界下においては積層セラミックコンデンサ1の絶縁抵抗値が低下し、ジュール発熱の影響が懸念される。そのため、高温・高電界下でも高い絶縁比抵抗を維持することが望ましい。
本実施形態に係る誘電体磁器組成物では、チタン酸バリウム100モル部に対して、酸化物換算でM元素の酸化物が0.3モル部以上1.0モル部以下含まれることがより好ましい。これにより、高温絶縁比抵抗値が向上する。
(積層セラミックコンデンサの製造方法)
本実施形態の積層セラミックコンデンサ1の製造方法は、従来の積層セラミックコンデンサと同様に、ペーストを用いた通常の印刷法やシート法によりグリーンチップを作製し、これを焼成した後、外部電極を印刷または転写して焼成することにより製造される。以下、製造方法について具体的に説明する。
まず、誘電体原料(誘電体磁器組成物粉末)を準備し、これを塗料化して、誘電体層を形成するためのペースト(誘電体層用ペースト)を調製する。
誘電体原料として、主成分となるチタン酸バリウムの原料とR元素の酸化物、M元素の酸化物およびSiを含む酸化物の原料とを準備する。これらの原料としては、上記した成分の酸化物やその混合物、複合酸化物を用いることができるが、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物、たとえば、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等から適宜選択し、混合して用いることもできる。
また、BaTiで表されるチタン酸バリウムを用いる場合に、u/vは特に限定はされないが、0.995≦u/v≦1.015の範囲内であることが好ましい。
本実施形態に係るチタン酸バリウムは、いわゆる固相法の他、各種液相法(たとえば、シュウ酸塩法、水熱合成法、アルコキシド法、ゾルゲル法など)により製造されたものなど、種々の方法で製造されたものを用いることができる。
誘電体原料中の各化合物の含有量は、焼成後に上記した誘電体磁器組成物の組成となるように決定すれば良い。なお、焼成後の誘電体粒子を所定の範囲内にするために、チタン酸バリウム粒子の粒径は100nm~250nmであることが好ましい。
誘電体層用ペーストは、誘電体原料と有機ビヒクルとを混練した有機系の塗料であってもよく、誘電体原料と水系ビヒクルとを混練した水系の塗料であっても良い。
有機ビヒクルとは、バインダを有機溶剤中に溶解したものである。バインダは特に限定されず、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等、一般的な有機ビヒクルに用いられる各種バインダから適宜選択すれば良い。用いる有機溶剤も特に限定されず、印刷法やシート法など、利用する方法に応じて、テルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等の各種有機溶剤から適宜選択すれば良い。
水系ビヒクルとは、水溶性バインダや分散剤などを水中に溶解したものである。水系ビヒクルに用いる水溶性バインダは特に限定されず、ポリビニルアルコール、セルロース、水溶性アクリル樹脂等、一般的な水系ビヒクルに用いられる各種バインダから適宜選択すれば良い。
内部電極層用ペーストは、上記した各種導電性金属や合金からなる導電材あるいは焼成後に上記した導電材となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等と、上記した有機ビヒクルとを混練して調製する。また、内部電極層用ペーストには、共材が含まれていても良い。共材としては特に制限されないが、主成分と同様の組成を有していることが好ましい。
外部電極用ペーストは、上記した内部電極層用ペーストと同様にして調製すれば良い。
上記した各ペースト中の有機ビヒクルの含有量に特に制限はなく、通常の含有量、たとえば、バインダは1~10質量%程度、溶剤は10~50質量%程度とすれば良い。また 、各ペースト中には、必要に応じて各種分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等から選択される添加物が含有されていても良い。これらの総含有量は、10質量%以下とすることが好ましい。
印刷法を用いる場合、誘電体層用ペーストおよび内部電極層用ペーストを、PET等の基板上に印刷、積層し、所定形状に切断した後、基板から剥離してグリーンチップとする 。
また、シート法を用いる場合、誘電体層用ペーストを用いてグリーンシートを形成し、この上に内部電極層用ペーストを印刷し内部電極パターンを形成した後、これらを積層してグリーンチップとする。
(脱バインダ条件)
脱バインダ条件に特に制限はないが、昇温速度を好ましくは5~300℃/時間、保持温度を好ましくは180~400℃、温度保持時間を好ましくは0.5~48時間とする。また脱バインダの雰囲気は、空気中もしくは還元雰囲気中とすることが好ましい。
(焼成条件)
脱バインダ後、グリーンチップの焼成を行う。焼成条件に特に制限はないが、昇温速度を好ましくは100~10000℃/時間とする。焼成時の保持温度は、好ましくは1350℃以下、より好ましくは1150~1280℃であり、焼成時の保持時間は、好ましくは0.5~20時間、より好ましくは1.0~15時間である。保持温度を上記の範囲にすることにより、内部電極層3を構成する材料の拡散を防ぐことができ、温度特性がより向上する。
焼成の雰囲気は、還元性雰囲気とすることが好ましい。雰囲気ガスには特に制限はなく、たとえば、NとHとの混合ガスを加湿して用いることができる。
また、焼成時の酸素分圧は、内部電極用ペースト中の導電材の種類に応じて適宜決定すれば良いが、導電材としてNiやNi合金等の卑金属を用いる場合、焼成雰囲気中の酸素分圧は10-14~10-9MPaとすることが好ましい。降温速度に特に制限はないが、好ましくは50~10000℃/時間である。
(アニール条件)
還元性雰囲気中で焼成した後、素子本体10にはアニール処理を施すことが好ましい。アニールは、誘電体層2を再酸化するための処理であり、これにより誘電体層2の絶縁抵抗(IR)を著しく上げることができ、信頼性(IR寿命)もより向上させることができる。
アニールの雰囲気に特に制限はないが、酸素分圧を10-9~10-5MPaとすることが好ましい。
アニールの際の保持温度に特に制限はないが、1100℃以下とすることが好ましく、950~1090℃とすることが特に好ましい。保持温度が上記の範囲内であることにより、誘電体層2が酸化され過ぎない程度に十分に酸化され、誘電体層2の絶縁抵抗(IR)、信頼性(IR寿命)および温度特性がより良好になる。なお、アニール工程は昇温過程および降温過程だけから構成しても良い。すなわち、温度保持時間を零としても良い。この場合、保持温度は最高温度と同義である。
上記以外のアニール条件としては、温度保持時間を好ましくは0~20時間、より好ましくは2~4時間、降温速度を好ましくは50~1000℃/時間、より好ましくは100~600℃/時間とする。またアニールの雰囲気ガスに特に制限はないが、たとえば、加湿したNガスを用いることが好ましい。
上記脱バインダ処理、焼成およびアニールにおいて、Nガスや混合ガス等を加湿するためには、たとえばウェッター等を使用すれば良い。ウェッターを使用する場合、水温は5~75℃程度が好ましい。
脱バインダ処理、焼成、アニールは連続して行ってもよく、それぞれ独立に行っても良い。
上記のようにして得られた素子本体10の誘電体層2を構成する誘電体磁器組成物は、上述した誘電体磁器組成物である。この素子本体10に端面研磨を施し、外部電極用ペーストを塗布して焼き付けし、外部電極4を形成する。そして、必要に応じて、外部電極4の表面に、めっき等により被覆層を形成する。
このようにして、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ1が製造される。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。
たとえば、上述した実施形態では、本発明に係る電子部品が積層セラミックコンデンサである場合について説明したが、本発明に係る電子部品は、積層セラミックコンデンサに限定されず、上述した誘電体磁器組成物を有する電子部品であれば何でも良い。
たとえば、上述した誘電体磁器組成物に一対の電極が形成された単板型のセラミックコンデンサであっても良い。
(実験1)
実験1では、実施例1~7および比較例1~4に関する実験を行った。
主成分として平均粒径が200nmのBaTi粉末(u/v =1.004)を準備し、R元素の酸化物の原料としてDy粉末を準備し、M元素の酸化物の原料としてMgO粉末、MnCO粉末およびV粉末を混合したものを準備し、Siを含む酸化物の原料としてSiO粉末を準備した。
次に、上記で準備した各原料粉末を、表1に示す量となるように秤量し、ボールミルで20時間湿式混合・粉砕し、乾燥して、誘電体原料を得た。また、MnCOは、焼成後にはMnOとして誘電体磁器組成物中に含有されることとなる。
次いで、得られた誘電体原料:100質量部と、ポリビニルブチラール樹脂:10質量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート(DOP):5質量部と、溶媒としてのアルコール:100質量部とをボールミルで混合してペースト化し、誘電体層用ペーストを得た。
また、上記とは別に、Ni粒子:44.6質量部と、テルピネオール:52質量部と、エチルセルロース:3質量部と、ベンゾトリアゾール:0.4質量部とを、3本ロールにより混練し、ペースト化して内部電極層用ペーストを作製した。
そして、上記にて作製した誘電体層用ペーストを用いて、PETフィルム上に、乾燥後の厚みが4.5μmとなるようにグリーンシートを形成した。次いで、この上に内部電極層用ペーストを用いて、電極層を所定パターンで印刷した後、PETフィルムからシートを剥離し、電極層(内部電極パターン)を有するグリーンシートを作製した。次いで、電極層を有するグリーンシートを複数枚積層し、加圧接着することによりグリーン積層体とし、このグリーン積層体を所定サイズに切断することにより、グリーンチップを得た。
次いで、得られたグリーンチップについて、脱バインダ処理、焼成およびアニールを下記条件にて行って、積層セラミック焼成体を得た。
脱バインダ処理条件は、昇温速度25℃/時間、保持温度:235℃、保持時間:8時間、雰囲気:空気中とした。
焼成条件は、昇温速度200℃/時間、保持温度1240℃とし、保持時間を2時間とした。降温速度は200℃/時間とした。なお、雰囲気ガスは、加湿したN+H混合ガスとし、酸素分圧が10-10MPaとなるようにした。
アニール条件は、昇温速度:200℃/時間、保持温度:1050℃、保持時間:3時間、降温速度:200℃/時間、雰囲気ガス:加湿したNガス(酸素分圧:10-7MPa)とした。
なお、焼成およびアニールの際の雰囲気ガスの加湿には、ウェッターを使用した。
次いで、得られた積層セラミック焼成体の端面をバレル研磨した後、外部電極としてCuペーストを塗布し、還元雰囲気にて焼付け処理を行い、図1に示す積層セラミックコンデンサの試料を得た。得られたコンデンサの試料のサイズは、3.2mm×1.6m m×0.7mmであり、誘電体層の層間厚みは3.0μm、内部電極厚み1.0μmとした。また、誘電体層の数を10層とした。
得られたコンデンサ試料について、下記の方法によりコアシェル構造の有無を判断し、下記の方法により温度特性および高温負荷寿命を測定した。
(誘電体粒子中のコアシェル誘電体粒子比率)
コンデンサ試料を内部電極層に垂直な面で切断後、表面に対してエッチング処理を行った。次にコンデンサ試料の誘電体層についてTEM-EDSを用いて各元素の特性X線の定量分析を行い、各元素についてのマッピング画像を得た。TEM像とTEM-EDS像とを比較し、BaおよびTiの濃度が周囲に比べ高い粒子を誘電体粒子20であると認定した。
得られたR元素の特性X線を定量分析して、R元素についてのマッピング画像を得た。
視野内に30個以上の誘電体粒子が存在する状態で観察し、偏析粒子を除く部分でのR元素の輝度の最大値の30%以上の輝度を有し、誘電体粒子の面積に対するシェル部の面積が95%以下である誘電体粒子をコアシェル誘電体粒子であると判断した。
表2では、視野内の誘電体粒子の個数のうちのコアシェル誘電体粒子の個数の割合を記載している。
(X7S特性(125℃での容量変化率(温度特性)))
コンデンサ試料に対し、周波数1.0kHz、入力信号レベル(測定電圧)1.0Vr msの条件下で、-55℃~125℃における静電容量を測定し、25℃における静電容量を基準として静電容量の変化率ΔCを算出し、EIA規格の温度特性であるX7S特性を満足するか否かについて評価した。本実施例では高温側(125℃)での容量変化率ΔCが±22%以内であるか否かを評価した。125℃での容量変化率が±22%を満足していれば-55℃での容量変化率もX7S特性を満足できる。結果を表2に示す。
((MTTF(高温負荷寿命))
コンデンサ試料に対し、200℃にて40V/μmの電界下で直流電圧の印加状態を保持し、コンデンサ試料の絶縁劣化時間を測定することにより、高温負荷寿命を評価した。本実施例においては、電圧印加開始から絶縁抵抗が1桁落ちるまでの時間を寿命と定義した。また、本実施例では、上記の評価を20個のコンデンサ試料について行い、これをワイブル解析することにより算出した平均故障時間(MTTF)をそのコンデンサ試料の平均寿命と定義した。本実施例では、平均寿命5時間以上を良好とし、7時間以上を特に良好とした。結果を表2に示す。
(判定)
コアシェル誘電体粒子比率が50%以上であり、温度特性がX7S特性を満たし、高温負荷寿命が7時間以上である場合をAとし、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上であり、温度特性がX7S特性を満たし、高温負荷寿命が5時間以上7時間未満である場合をBとし、それ以外をCと判定した。結果を表2に示す。
Figure 0007396157000001
Figure 0007396157000002
(実験2)
実験2では、比較例5に関する実験を行った。
比較例5では、焼成時の保持温度を1280℃とした以外は実施例と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製し、実験1と同様に特性評価を行った。
Figure 0007396157000003
Figure 0007396157000004
表1および表2より、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上の場合(実施例1~7)は、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1から外れる場合(比較例1、2)、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1を上回る場合(比較例4)に比べて、高温負荷寿命が高いことが確認できた。
表1~表4より、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上である場合(実施例1~7)は、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1を下回る場合(比較例3)またはコアシェル誘電体粒子比率が50%未満の場合に比べて温度特性が良好であり、X7S特性を満たすことが確認できた。
(実験3)
実験3では、実施例8~10に関する実験を行った。
実験3ではR元素の種類を変えた以外は実施例と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製し、実験1と同様に特性評価を行った。
Figure 0007396157000005
Figure 0007396157000006
表5および表6より、R元素をGdに変えた場合(実施例8)、Yに変えた場合(実施例9)およびDyおよびYbに変えた場合(実施例10)においても、X7S特性を満たし、高温負荷寿命が高くなることが確認できた。
(実験4)
実験4では、実施例11~24に関する実験を行った。
実験4では、R元素の酸化物、M元素の酸化物およびSiOの含有量を表7に記載した通りとした以外は、実験1と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製し、実験1と同様に特性評価を行った。結果を表8に示す。
Figure 0007396157000007
Figure 0007396157000008
表7および表8より、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上であり、さらにチタン酸バリウム100モル部に対して、R換算でR元素の酸化物が1.0モル部以上3.2モル部以下含まれ、MO換算でM元素の酸化物が0.2モル部以上1.6モル部以下含まれ、SiO換算でSiを含む酸化物が0.8モル部以上3.2モル部以下含まれる場合(実施例4、11~18)は、より良好な高温負荷寿命が得られることが確認できた。
(実験5)
実験5では、実施例23、25、11、26および27に関して実験を行った。
実験5では、R元素の酸化物、M元素の酸化物およびSiOの含有量を表9に記載した通りとした以外は、実験1と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製し、実験1と同様に特性評価を行った。結果を表10に示す。また、実験1と同様の特性評価に加え、下記の方法により高温絶縁比抵抗および比誘電率についても評価を行った。
(高温絶縁比抵抗値)
125℃で20分間加熱したコンデンサ試料に対し、温度を125℃で維持した状態で絶縁抵抗計(アドバンテスト社製R8340A)を用いて、25V/μmの直流電圧を1分間印加した後の絶縁抵抗値を測定した。コンデンサ試料の平均層間厚み及び重なり面積から高温絶縁比抵抗値を算出した。本実施例では、5.0×10Ωm以上を良好とした。結果を表10に示す。
(比誘電率)
比誘電率εrは、コンデンサ試料に対し、150℃にて1時間熱処理を行い、24時間後の静電容量値を基準温度25℃においてデジタルLCRメータ(YHP社製4274A)にて、周波数1.0kHz、入力信号レベル(測定電圧)1.0Vrmsの条件下で測定した。コンデンサ試料に対し、静電容量および平均層間厚み、重なり面積から比誘電率εrを算出した(単位なし)。比誘電率は高い方が好ましく、本実施例では2000以上を良好として、Aと記載し、2000以下の場合をBと記載している。結果を表10に示す。
Figure 0007396157000009
Figure 0007396157000010
表9および表10より、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上であり、さらにM元素の酸化物の含有量が1.0mol%以下の場合(実施例23、25、11および26)は、高温絶縁比抵抗値と比誘電率の両方において良好な結果が得られた。また、M元素の酸化物の含有量が0.3~1.0mol%の範囲内の場合(実施例25、11および26)は、コンデンサ試料はX7S特性を満たし、特に良好な高温負荷寿命となることが確認できた。
(実験6)
実験6では、実施例14、11、12、2、21および3に関して実験を行った。
実験6では、R元素の酸化物、M元素の酸化物およびSiOの含有量を表11に記載した通りとした以外は、実験1と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製し、実験1と同様に特性評価を行った。結果を表12に示す。また、実験1と同様の特性評価に加え、LB/LAの最小値および最大値を測定した。
(LB/LAの最小値および最大値)
上記の方法により線分VL1~VL10の各LB/LAを求め、その中での最小値および最大値を表12に示す。なお、図4のgraph αおよびgraph βは実施例11に関する。
Figure 0007396157000011
Figure 0007396157000012
表12より、R23換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO2換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO2換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子比率が50%以上であり、さらにLB/LAの最小値および最大値が0.2以上0.9以下である場合、すなわち任意の線分VLにおいてLB/LAを満たす場合(実施例14、11、12および)には、コンデンサ試料はX7S特性を満たし、特に良好な高温負荷寿命となることが確認できた。
(実験7)
実験7では、実施例22、12および23に関して実験を行った。
実施例22では主成分として平均粒径130nmのチタン酸バリウム粉末を使用し焼成時の保持温度を1220℃とし、実施例23では主成分として平均粒径250nmのチタン酸バリウム粉末を使用し焼成時の保持温度を1260℃とした以外は、実施例12と同様の方法で積層セラミックコンデンサ試料を作製した。また、実験1と同様の特性評価に加え、下記の方法により誘電体粒子平均粒径の測定を行うと共に、温度特性がX7R特性を満足しているか否かについて評価を行った。
(誘電体粒子の平均粒径)
誘電体粒子の平均粒径の測定方法としては、まず、得られたコンデンサ試料を内部電極層に垂直な面で切断し、その切断面を研磨した。そして、その研磨面にケミカルエッチングを施し、その後、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察を行い、約1000個の粒子をカウントし誘電体粒子の形状を球と仮定して算出した。結果を表14に示す。
(X7R特性(125℃での容量変化率(温度特性)))
コンデンサ試料に対し、周波数1.0kHz、入力信号レベル(測定電圧)1.0Vrmsの条件下で、-55℃~125℃における静電容量を測定し、25℃における静電容量を基準として静電容量の変化率ΔCを算出し、EIA規格の温度特性であるX7R特性を満足するか否かについて評価した。本実施例では高温側(125℃)での容量変化率ΔCが±15%以内であるか否かを評価した。125℃での容量変化率が±15%を満足していれば-55℃での容量変化率もX7R特性を満足できる。結果を表14に示す。
Figure 0007396157000013
Figure 0007396157000014
表13および表14より、R換算でのR元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、MO換算でのM元素の酸化物の含有量とSiO換算でのSiを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、コアシェル誘電体粒子が50%以上であり、さらに誘電体粒子の平均粒径が150~300nmの範囲内の場合には、X7R特性を満たし、特に良好な高温負荷寿命が得られることが確認できた。
1… 積層セラミックコンデンサ
10… 素子本体
2… 誘電体層
20… 誘電体粒子
200… コアシェル誘電体粒子
200a… コア部
200b… シェル部
202… 全固溶誘電体粒子
22… 偏析粒子
3… 内部電極層
4… 外部電極

Claims (3)

  1. 誘電体磁器組成物で構成される誘電体層を有し、前記誘電体層を挟んでいる一対の電極層をさらに有する電子部品であって、
    前記誘電体磁器組成物はチタン酸バリウムと、R元素の酸化物と、M元素の酸化物と、Siを含む酸化物と、を有し、
    前記R元素はEu,Gd,Tb,Dy,Y,HoおよびYbからなる群から選ばれる1以上の元素であり、
    前記M元素はMg,Ca,Mn,VおよびCrからなる群から選ばれる1以上の元素であり、
    23換算での前記R元素の酸化物の含有量とSiO2換算での前記Siを含む酸化物の含有量との比が0.8:1~2.2:1の間に含まれ、
    MO換算での前記M元素の酸化物の含有量とSiO2換算での前記Siを含む酸化物の含有量との比が0.2:1~1.8:1の間に含まれ、
    前記チタン酸バリウム100モル部に対して、
    23換算でR元素の酸化物が2.2モル部以上3.2モル部以下含まれ、
    MO換算で前記M元素の酸化物が0.2モル部以上1.0モル部以下含まれ、
    前記誘電体磁器組成物を構成する誘電体粒子の個数の50%以上がコアシェル構造を有するコアシェル誘電体粒子であり、
    前記コアシェル誘電体粒子のシェル部ではチタン酸バリウムに前記R元素、前記M元素およびSiから選ばれる少なくとも1つが固溶しており、
    前記コアシェル誘電体粒子のコア部は実質的にチタン酸バリウムから成り、
    前記誘電体粒子の少なくとも一部は全固溶誘電体粒子であり、
    前記誘電体層と一方の前記内部電極層との境界から、前記誘電体層と他方の前記内部電極層との境界までを結ぶ前記内部電極層に垂直な線分の長さをLAとし、
    前記線分上の前記シェル部および前記全固溶誘電体粒子の長さの合計をLBとしたとき、
    前記LAに対する前記LBの比(LB/LA)が0.3以上0.9以下である電子部品。
  2. 前記チタン酸バリウム100モル部に対して
    iO2換算で前記Siを含む酸化物が0.8モル部以上3.2モル部以下含まれる請求項1に記載の電子部品。
  3. 前記誘電体粒子の平均粒径が0.15μm以上0.30μm以下である請求項1または2に記載の電子部品。

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