JPH11292622A - 半導体セラミックおよび半導体セラミック素子 - Google Patents

半導体セラミックおよび半導体セラミック素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐電圧強度が800V/mm以上、室温比抵抗
が100Ω・cm以下であり、かつ室温比抵抗の経時変化
がほとんど起こらない半導体セラミックを提供する。 【解決手段】 チタン酸バリウムを含む半導体材料を焼
結してなる半導体セラミックであって、半導体セラミッ
クの平均粒径が1.0μm以下であり、かつ半導体セラ
ミックの表面は、XPSによって算出されるBaCO3
/BaOの相対強度比が0.50以下であることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体セラミック、
特にチタン酸バリウム系の半導体セラミックに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする問題点】従来
より、温度制御、電流制限、定温度発熱などに用いられ
る電子部品素子には、キュリー温度を超えると急激に抵
抗が上昇する正の抵抗温度特性(以下、PTC特性とす
る)を有する半導体セラミック素子が用いられている。
この半導体セラミックとしては、チタン酸バリウム系の
ものが広く用いられている。
【0003】近年、上記のような用途で用いられる半導
体セラミック素子に対して、高い電圧でも使用可能な耐
電圧の高い(耐電圧強度が高い)ものが要望されてい
る。特に、回路用過電流保護素子に用いられている半導
体セラミック素子に対する高耐電圧化の要求が高まって
いる。
【0004】一般に、半導体セラミックの粒子を小さく
すると耐電圧強度が上昇することが知られている。この
ため、チタン酸バリウム系半導体セラミックの高耐電圧
化を目的として、半導体セラミックの微粒子化の研究が
行われてきた。例えば、特開平4−26101号公報に
は、TiO2,SiO2,Al23,MnO2を含有した
BaTiO3とSrTiO3とからなる半導体セラミック
にDy23,Sb23を含有させることによって、耐電
圧が高く、比抵抗が低い半導体セラミックが得られるこ
とが開示されている。しかしながら、その比抵抗は50
Ω・cmと低いものの、耐電圧強度は200V/mm前後と満
足できるものではない。また、その粒径も6〜15μm
と大きいという問題がある。
【0005】また、特公昭60−25004号公報に
は、チタン酸バリウムと、半導体化剤としてSb酸化物
とを粉砕混合して仮焼した粉体を用い、その仮焼条件や
成形圧等を制御し、1350℃で焼成することによっ
て、半導体セラミックの粒径が1〜5μmであり、耐電
圧強度が最高値で500V/mmの半導体セラミックが得
られることが開示されている。しかしながら、この耐電
圧強度では、近年の高耐電圧化の要求には十分応えられ
るものではなく、より耐電圧強度の高い半導体セラミッ
クが望まれている。
【0006】一方、より耐電圧強度を高めるために、半
導体セラミックの粒径を1.0μm以下にする試みがな
されている。しかしながら、半導体セラミックの平均粒
径を小さくすることによって、半導体セラミックの室温
比抵抗が時間と共に増大するという問題があった。
【0007】本発明の目的は、耐電圧強度が800V/m
m以上、室温比抵抗が100Ω・cm以下であり、かつ室温
比抵抗の経時変化がほとんど起こらない半導体セラミッ
クおよび半導体セラミック素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
目的に鑑みてなされたものである。第1の発明の半導体
セラミックは、チタン酸バリウムを含む半導体材料を焼
結してなる半導体セラミックであって、前記半導体セラ
ミックの平均粒径が1.0μm以下であり、かつ前記半
導体セラミックの表面は、XPSによって算出されるB
aCO3/BaOの相対強度比が0.50以下であるこ
とを特徴とする。
【0009】このような構成にすることによって、耐電
圧強度が800V/mm以上、室温比抵抗が100Ω・cm以
下であり、かつ室温比抵抗の経時変化の起こらない半導
体セラミックとすることができる。
【0010】ここで、BaCO3/BaOの値と室温比
抵抗の経時変化との関係について説明する。通常、炭酸
バリウムと酸化チタンを用いてチタン酸バリウムを合成
する際、チタン酸バリウム粒子の表面には、極微量の未
反応の炭酸バリウムが存在している。この未反応の炭酸
バリウムが過剰に存在する場合、この炭酸バリウムは、
焼成直後では酸化バリウムとして磁器粒子内に存在して
いるものの、空気中で放置しておくと、空気中の二酸化
炭素と反応し、粒界に高抵抗の炭酸バリウム相として偏
析する。本発明者らは、この粒界に形成された炭酸バリ
ウム相が半導体セラミックの室温比抵抗が上昇する原因
であることを発見した。そして、チタン酸バリウム系半
導体セラミックの表面のBaCO3/BaOの相対強度
比を上記の範囲に調整することによって、半導体セラミ
ックの室温比抵抗が上昇することを防止できることを見
いだし、本発明を成すに至った。
【0011】また、第2の発明の半導体セラミック素子
は、請求項1に記載の半導体セラミックの両主面に電極
を形成したことを特徴とする。
【0012】このような構成にすることによって、室温
比抵抗の経時変化のない半導体セラミック素子とするこ
とができる。また、チタン酸バリウムの平均粒径が1.
0μm以下であるので、耐電圧強度を高めることができ
る。また、従来の素子の高さが約2mmであったのに対
し、0.7〜1.0mmまで素子の高さを小さくすること
ができる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の半導体セラミックに用い
られるチタン酸バリウムは、BaTiO3に限らず、B
aの一部をSr,Ca,Pb,Y,希土類元素等で置換
したものや、Tiの一部をSn,Zr,Nb,W,Sb
等で置換したものでもよい。
【0014】また、本発明の半導体セラミックの半導体
材料には、チタン酸バリウムの他に、MnO2,Si
2,TiO2,Al23等を適宜量含有させてもよい。
【0015】また、本発明の半導体セラミックの平均粒
径は1.0μm以下でなければならないが、一部粒径が
1.0μmを超える粒子が存在しても、平均で1.0μ
m以下になればよい。
【0016】また、本発明の半導体セラミックの表面の
BaCO3/BaOの相対強度比は0.50以下である
必要がある。なお、ここでいう表面とは、半導体セラミ
ックのうち、空気に触れる部分を指すものであり、破断
面なども含むものである。
【0017】また、本発明において経時変化がほとんど
起こらないというのは、焼成直後から1000時間後の
室温比抵抗値を焼成直後の室温比抵抗値で除したものを
経時変化率として、その値が1.05以下のものであ
る。
【0018】次に、本発明を実施例を用いてさらに具体
的に説明する。
【0019】
【実施例】Baが含有された水酸化バリウム水溶液と、
Tiが2.655mol含有されたTi(O−iPr)4
表せられるTiアルコキシドのイソプロピルアルコール
(以下、IPAとする)溶液をそれぞれ調整した。さら
に、LaCl3・6.3H2Oで表せられる塩化ランタン
を2.385gエタノールに溶解させたエタノール溶液
100cc(溶液中のLa量は0.00664mol)をT
iアルコキシドのIPA溶液中に均一に混合させた。
【0020】次に、水酸化バリウム水溶液と、塩化ラン
タンのエタノール溶液を混合させたTiアルコキシドの
IPA溶液とを混合、反応せしめてスラリーとし、この
スラリーを熟成槽に投入した。次に、熟成後のスラリー
を脱水し、得られた脱水ケーキを110℃で3時間乾燥
させた。乾燥後、解砕してLa含有チタン酸バリウム粉
末を得た。
【0021】上記のようにして得られたLa含有チタン
酸バリウム粉末、あるいはこの粉末を800〜1000
℃で2時間仮焼したものに、酢酸ビニル等のバインダー
を添加して造粒粉を作製し、得られた造粒粉に一軸加圧
プレス成形を施すことによって、直径10mm、厚さ1mm
の円板状の成形体を得た。次に、得られた成形体を12
00〜1300℃で2時間、大気中で焼成し、半導体セ
ラミックを得た。さらに、半導体セラミックの両主面に
In−Ga電極ペーストを塗布した後、焼き付けて電極
を形成し、半導体セラミック素子とした。
【0022】上記のようにして作製する半導体セラミッ
ク素子の水酸化バリウム水溶液のBa含有量を変化さ
せ、それぞれの室温比抵抗、耐電圧強度、半導体セラミ
ック表面のBaCO3/BaO比、室温比抵抗の経時変
化率を測定した。その結果を表1に示す。なお、表1中
の※印は本発明の範囲外である。また、室温比抵抗は、
25℃においてデジタルボルトメーターを用い、4端子
法で測定した。また、耐電圧強度は、試料に破壊が起こ
る寸前の最高印加電圧を測定し、試料の電極間厚みで除
したものである。また、半導体セラミック表面のBaC
3/BaO比は、半導体セラミック表面および破断面
をXPS分析による相対強度比として算出した。また、
室温比抵抗の経時変化率は、焼成直後から1000時間
後の室温比抵抗値を焼成直後の室温比抵抗値で除したも
のである。
【0023】また、表1中の比較例は、上記のようにし
て作製する半導体セラミック素子の水酸化バリウム水溶
液のBa含有量を変化させたものを用い、比較例は、焼
成条件を1350℃で2時間としたものを用いた。
【0024】
【表1】
【0025】表1に示すように、半導体セラミックの平
均粒径が1.0μm以下であり、表面のBaCO3/B
aOの相対強度比が0.50以下であるものは、室温比
抵抗が100Ω・cm以下、耐電圧強度が800V/mm以
上、経時変化率が1.05以下であることが確認でき
る。
【0026】ここで、請求項1において、半導体セラミ
ックの平均粒径と、半導体セラミックの表面のBaCO
3/BaOの相対強度比を限定した理由を説明する。
【0027】半導体セラミックの平均粒径を1.0μm
以下に限定したのは、比較例のように、半導体セラミッ
クの平均粒径が1.0μmより大きい場合には、耐電圧
強度が低く好ましくないからである。
【0028】また、半導体セラミックの表面のBaCO
3/BaOの相対強度比を0.50以下に限定したの
は、試料番号4,5のように、半導体セラミックの表面
のBaCO3/BaOの相対強度比が0.50より大き
い場合には、経時変化率が大きくなり好ましくないから
である。
【0029】本実施例においては、半導体化剤としてL
aを用いたが、本発明の半導体セラミックにおいては、
特にこれに限定するものではなく、例えば、Y,Sm,
Ce,Dy,Ga等の希土類や、Nb,Ta,Bi,S
b,W等の遷移元素を用いてもよい。また、チタン酸バ
リウムの合成方法としては、本実施例では加水分解法を
用いているが、この他にもゾルゲル法、水熱法、共沈
法、固相法等を用いてもよい。
【0030】
【発明の効果】本発明の半導体セラミックは、チタン酸
バリウムを含む半導体材料を焼結してなる半導体セラミ
ックであって、半導体セラミックの平均粒径が1.0μ
m以下であり、かつ半導体セラミックの表面は、XPS
によって算出されるBaCO3/BaOの相対強度比が
0.50以下であるので、耐電圧強度が800V/mm以
上、室温比抵抗が100Ω・cm以下であり、かつ室温比
抵抗の経時変化がほとんど起こらないようにすることが
できる。
【0031】また、本発明の半導体セラミック素子は、
上記半導体セラミックの両主面に電極を形成しているの
で、素子の高さを0.7mm〜1.0mm程度にまで低くす
ることができる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタン酸バリウムを含む半導体材料を焼
    結してなる半導体セラミックであって、 前記半導体セラミックの平均粒径が1.0μm以下であ
    り、かつ前記半導体セラミックの表面は、XPSによっ
    て算出されるBaCO3/BaOの相対強度比が0.5
    0以下であることを特徴とする半導体セラミック。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の半導体セラミックの両
    主面に電極を形成したことを特徴とする半導体セラミッ
    ク素子。
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