JPWO2006104026A1 - 誘電体磁器組成物、およびこれを用いたコンデンサの製造方法 - Google Patents

誘電体磁器組成物、およびこれを用いたコンデンサの製造方法 Download PDF

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Abstract

Ba/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したチタン酸バリウムを100モルに対し、少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCO3に換算して0〜1.6モル、Ln(LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む)の化合物をLn2O3に換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をV2O5に換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiO2に換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAl2O3に換算して0.01〜2.5モル含む誘電体磁器組成物。

Description

本発明は誘電体磁器組成物、及びこれを用いて形成した積層セラミックコンデンサの製造方法に関するものである。
図1は誘電体磁器組成物を用いて形成した一般的な積層セラミックコンデンサ11の断面図である。図1において、積層セラミックコンデンサ11は、焼結体15の対向する両端面16,17に形成した一対の外部電極18,19に、内部電極13,14をそれぞれ電気的に接続されて構成されている。そして、この焼結体15は、焼成後に誘電体磁器組成物である誘電体層12となるシート状に形成したセラミックシートを間に挟んで複数の内部電極13,14を交互に重ね合わせ、上下に保護層20を重ねて積層体を形成し、この積層体を焼成して形成する。
そして、内部電極13,14及び外部電極18,19は、一般的に、焼成の際の誘電体層12との反応を避けるために高価な貴金属が用いられるが、最近では高価な貴金属から安価なニッケル(Ni)などの卑金属に置き換えることが進められてきている。
以上のように構成された積層セラミックコンデンサ11について、以下に従来の製造方法を説明する。
先ず、焼成後に誘電体層12となる元のセラミックシートと、焼成後に内部電極13,14となるNiなどの卑金属材料を含む電極ペーストを交互に複数層重ね、この最上層と最下層とに保護層20を重ねて圧着し積層体(図示せず)を得る。そして、この積層体を所定サイズのチップ形状に切断した後に所定の温度で焼成を行う。このとき、内部電極13,14の酸化劣化を防止するために窒素ガス雰囲気などの還元性雰囲気中で焼成を行って焼結体15を形成する。
次いで、内部電極13,14が露出した焼結体15の両端面16,17に卑金属材料よりなる外部電極ペーストを塗布し、外部電極18,19が酸化劣化しないように窒素ガス雰囲気などの還元性雰囲気中で焼き付けを行う。
このような誘電体層12の焼成時の還元劣化を抑制する誘電体磁器組成物に関する先行技術文献情報としては、例えば特開昭61−155255号公報が知られている。
しかしながら、特開昭61−155255号公報に示す誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサは、絶縁抵抗寿命特性(IR寿命特性)の劣化が大きい。その上、誘電体層12を薄くしていくに従っていっそう信頼性の確保が困難になり、静電容量の温度変化率が大きくなるという問題点を有している。さらに、内部電極13,14のNiと固溶し易い銅(Cu)を外部電極18,19として選択して還元性雰囲気中で焼結体15に焼き付ける際に、誘電体層12が還元されて、積層セラミックコンデンサの絶縁抵抗が小さくなるという問題点を有していた。
本発明の誘電体磁器組成物は、主成分としてBa/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0〜1.6モル、Ln(LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む)の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含むことを特徴とする。
本発明のコンデンサの製造方法は、主成分としてBa/Tiのモル比が0.997〜1.007であるチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0.0〜1.6モル、Ln(LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む)の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含有するセラミック粉体を混合する混合工程と、混合後のセラミック粉体を用いてセラミックスラリーを作製するスラリー作製工程と、セラミックスラリーからセラミックシートを作製するセラミックシート成形工程と、セラミックシートと卑金属を主成分とする内部電極とを交互に積層して積層体を作製する積層工程と、積層体を焼成して内部電極と誘電体層とからなる焼結体を得る焼成工程と、焼結体の内部電極が露出した端面に一対の外部電極を形成する外部電極形成工程とを含むことを特徴とする。
図1は一般的な積層セラミックコンデンサの断面図を示す。 図2はEr−Dy−Ho(x,y,z)の構成比率を示す三元成分図を示す。 図3はBa−Mg−Ln(u,v,w)の構成比率を示す三元成分図を示す。
符号の説明
11 積層セラミックコンデンサ
12 誘電体層
13,14 内部電極
15 焼結体
16,17 焼結体の端面
18,19 外部電極
20 保護層
21 ニッケルメッキ層
22 半田メッキ層
(実施の形態1)
以下、本発明の誘電体磁器組成物の実施の形態1について、図1を用いて積層セラミックコンデンサを例にとって説明する。
図1は、一般的な積層セラミックコンデンサ11の断面図を示す。図1において、積層セラミックコンデンサ11は、内部電極13,14を焼結体15の対向する両端面16,17にそれぞれ露出して形成している。そして、焼結体15の対向する両端面16,17に形成した一対の外部電極18,19に内部電極13,14がそれぞれ電気的に接続されて構成されている。そして、この焼結体15は、焼成後に誘電体磁器組成物である誘電体層12となるシート状に形成したセラミックシートを間に挟んで複数の内部電極13,14を交互に重ね合わせ、上下に保護層20を重ねて積層体を形成し、この積層体を焼成して形成する。この一対の外部電極18,19の表面には、おのおのニッケル(Ni)メッキ層21が形成され、さらにこのNiメッキ層21の表面に半田メッキ層22が形成されている。
このような積層セラミックコンデンサ11の製造方法に関して、以下に詳述する。
まず、出発原料であるセラミック粉体からセラミックシートを作製する製造方法を説明する。
各出発原料を、チタン酸バリウム(BaTiO)を100モルに対して表1に示す組成となるように、炭酸バリウム(BaCO)、酸化エルビウム(Er)、酸化ジスプロシウム(Dy)、酸化ホルミウム(Ho)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(MnO4/3)、二酸化ケイ素(SiO)、酸化バナジウム(V),酸化アルミニウム(Al)をそれぞれ秤量する。そして、イットリア部分安定化ジルコニアボールを媒体として、媒体攪拌ミルを用いて3.5時間湿式混合粉砕を行った後、脱水乾燥を行う。MnO4/3については、Mnの1/3モルがMnO4/31モルに相当するものとして計算し、Mnを用いて秤量する。
なお、表1には、主原料となるBaTiOのBET法(Brunauer−Emmet−Tellerの吸着等温式)で求める比表面積を示している。
Figure 2006104026
次に、この脱水乾燥した混合材料を解砕し、32メッシュ篩を全量通過させた後、材質がアルミナである坩堝に入れ、700℃〜1100℃の温度で2時間保持し仮焼する。この仮焼は、炭酸化物を分解し、主成分のBaTiOと副成分とが適度に反応した状態となるような温度で行う。この際、仮焼温度が高すぎると得られた積層セラミックコンデンサの静電容量の温度変化率が大きくなりすぎることがあるため、注意が必要である。
次いで、仮焼原料を材料混合の工程と同様に、媒体攪拌ミルで仮焼原料の平均粒径が0.7μm以下になるように湿式粉砕を行った後、脱水乾燥と32メッシュ篩を全量通過させ、誘電体材料を作製する。この際、Alを仮焼後の仮焼原料に加えて粉砕を行う。ここで、Alを加えることにより2次相の発生を防止できる。また、仮焼後、粉砕時にAlを加えることにより、仮焼原料の必要以上の固溶を防ぎ、温度特性の悪化を防止することができる。
仮焼原料の平均粒径は、レーザー回折法により測定する。
作製されたセラミック材料に、バインダーとしてポリビニルブチラール樹脂、溶剤として酢酸nブチル、可塑剤としてフタル酸ジブチルを加え、イットリア部分安定化ジルコニアボールと共に媒体攪拌ミルで3時間混合しスラリーを作製する。
表面にシリコン離型剤が付与されている支持体となるポリエステルフィルム上に、得られたスラリーをドクターブレード法を用いて塗布し、焼成後に図1に示す誘電体層12となるべきセラミックシートを成形する。このセラミックシートの厚みは、焼成後に5μmとなるように設定して作製する。
次に、このセラミックシートの表面に、Niを主成分とする内部電極ペーストをスクリーン印刷法でパターン印刷し、乾燥を行う。このNi内部電極ペーストを印刷したセラミックシートを乾燥した後、これを10枚積み重ねて熱圧着して積層体を形成する。その後、この積層体を長さ3.3mm×幅1.7mmの積層体グリーンチップ(以後、グリーンチップと略する)形状に切断する。
次に、このグリーンチップをジルコニア敷粉と混ぜ合わせアルミナ材質のサヤに入れ、Niが過度に酸化されない雰囲気中で焼成してバインダーや可塑剤などの有機物の除去を行う。その後引き続き、Niが過度に酸化されず誘電体層12が焼結できる、窒素、水素に炭酸ガスまたは水蒸気を混合して構成した還元雰囲気中で、最高温度が1180℃〜1340℃で2時間保持してグリーンチップの焼結を行う。次いで、このグリーンチップを、最高温度で保持した後の降温過程において、800〜1200℃の温度範囲を1時間経験させる。このとき、窒素、水素に炭酸ガスまたは水蒸気を用いて構成し、Niが過度に酸化されない雰囲気中で行う。この降温過程において、還元雰囲気中での焼成工程において還元された誘電体層12の再酸化を行う。その後、グリーンチップを室温まで冷却して焼結体15を作製する。
ここで、焼成工程において還元された誘電体層12の再酸化を、焼成工程の降温過程で行う例を説明したが、これに限るわけではない。例えば、焼成工程終了後に、再度800〜1200℃の温度に昇温してグリーンチップを再酸化させる再酸化工程を設けても良い。
尚、各組成の最適な焼成温度としては、それぞれの誘電体層12からなる焼結体15の密度が最大となる温度を用いる。
次に、この焼結体をバレル研磨機により表面および端面を研磨して、内部電極13,14を焼結体15の端面16,17に露出させる。その後、焼結体15の端面16,17に銅(Cu)を主成分とする外部電極18,19となる電極ペーストを塗布して、窒素と酸素を混合したCuが過度に酸化されない雰囲気中において、850℃で15分間の焼き付けを行う。この工程で、焼結体15の端面16,17に露出した内部電極13,14に、外部電極18,19がそれぞれ電気的に接続されるように形成される。
次に、外部電極18,19のそれぞれの表面に、電解メッキ法を用いてNiメッキ層21を形成する。さらに、Niメッキ層21の表面に半田メッキ層22を形成して、表1に示す各々の組成を有し、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を得る。
作製された積層セラミックコンデンサ11について、20℃、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
誘電率は積層セラミックコンデンサ試料の内部電極面積と誘電体層厚みより計算で求めた。
また、表2には、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として示す。表2中で、dC/C(%)(−55℃)とあるのは、−55℃の温度における静電容量変化率であり、またdC/C(%)(125℃)とあるのは、125℃の温度における静電容量変化率である。なお、表2の試料番号は、表1の試料番号に対応する。
また、表2には、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗(IR)値(Ω)も示す。表2では、絶縁抵抗値は、例えば1.00×10が、1.00E+08と表わされている。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表2に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。
表1、表2中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。表2から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いた試料番号2〜5,8〜9の積層セラミックコンデンサは、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値が良好である。また、それらの値のばらつきも小さい。また、絶縁抵抗値も良好な値を示し、静電容量の温度による変化率dC/C(%)も少ない。さらに、加速寿命試験後のIR劣化数も零と、良好である。
Figure 2006104026
ここで、試料番号1のように、BaTiOのBa/Ti比が0.997より小さいと絶縁抵抗が低く、絶縁抵抗寿命特性の劣化が激しい。これは、焼結時の耐還元性が十分ではないためと考えられる。一方、試料番号6のようにBa/Ti比が1.007を超えると誘電率、絶縁抵抗共に低く絶縁抵抗寿命特性も悪い。これは、十分に焼結しないためである。また、試料番号7に示すように、BaTiO材料の比表面積が3m/g未満の場合には、初期特性は満足するが、誘電体層を薄膜化した場合に絶縁抵抗寿命特性が十分ではなく、IR劣化数が大きくなっている。さらに、試料番号10のように、BaTiO材料の比表面積が8m/gを超える場合には、BaTiOの結晶性が十分ではないために、誘電率が低く、静電容量変化率の温度依存性が大きく実用的ではない。尚、BaTiOの合成には、蓚酸塩法で作製されたBaTiOを用いたが、水熱合成法、固相法等で作製されたBaTiOを用いても同様な効果が得られる。また、主成分であるBaTiOとして、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークが分かれていないものを用いた場合には、静電容量の温度による変化率が大きくなり実用的ではない。従ってX線回折角2θが40〜50°における(002)面と(200)面のピークが分かれているBaTiOが有効である。
(実施の形態2)
各出発原料をBaTiOを100モルに対し、表3に示す組成となるように、BaCO,Er,Dy,Ho,MgO,MnO4/3,SiO,V,Alをそれぞれ秤量して実施の形態1と同様に、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を作製する。ここで主材料のBaTiOには、Ba/Tiモル比が1.001、比表面積が4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いた。次いで、作製された積層セラミックコンデンサ11について、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として表4に示す。なお、表4の試料番号は、表3の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表4に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表3、表4中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
表4から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いて作製される試料番号13〜21,23の積層セラミックコンデンサは、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値は良好であり、またそれらのばらつきも小さかった。また、絶縁抵抗、静電容量変化率の温度依存性、加速寿命試験後の絶縁抵抗寿命特性のいずれも良好である。
Figure 2006104026
ここで、希土類酸化物、Er,Dy,Hoの合計が0.1モル以下の試料番号11では、十分な耐還元性が得られず、絶縁抵抗値が低く絶縁抵抗寿命特性も悪い。また、希土類酸化物の合計が3モルを超える試料番号22の場合には、焼結が困難であり、誘電率が低く絶縁抵抗寿命特性も悪化する。Er,Dy,HoをxEr+yDy+zHo(但し、x+y+z=1)と表したときの、図2に示す三元成分図において、点Aの座標(x,y,z)は(0.05,0,0.95)、点Bの座標(x,y,z)は(0.5,0,0.5)、点Dの座標(x,y,z)は(0.5,0.5,0)、点Eの座標(x,y,z)=(0.05,0.95,0)である。さらに、図2において、点B−Dを結ぶ直線より左下部、即ちErのモル比率xが0.5を超える試料番号24の場合には、焼結が十分ではなく、初期特性は満足するが絶縁抵抗寿命特性を損なう。また、Erのモル比率xが0.05モル未満の試料番号12の場合には、温度特性が悪化傾向であり、かつ絶縁抵抗寿命特性も損なう傾向にあり実用的ではない。従って、Er,Dy,Hoを最適な比率で組み合わせることにより、薄膜化した誘電体層で構成される積層セラミックコンデンサに対して温度特性が良好で絶縁抵抗寿命特性の優れたものを提供できる。なお、Er,Dy,Hoとも、BET法で求める比表面積が7〜15m/gであり、球状形状でかつ凝集粒子の少ないものを用いることにより、分散性が向上し、上記の顕著な効果が得られる。
(実施の形態3)
各出発原料をBaTiOを100モルに対し、表5に示す組成となるように、BaCO,Er,Dy,Ho,MgO,MnO4/3,SiO,V,Alをそれぞれ秤量し実施の形態1と同様に、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を作製する。ここでBaTiOは、Ba/Tiモル比が1.001、比表面積4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いる。次いで、得られた積層セラミックコンデンサ11を、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として表6に示す。なお、表6の試料番号は、表5の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表6に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表5、表6中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
表6から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いて作製した試料番号25〜30は、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値は良好であり、そのばらつきも小さい。また絶縁抵抗、静電容量変化率の温度依存性、加速寿命試験後の絶縁抵抗寿命特性のいずれも良好である。
Figure 2006104026
ここで、Er,Dy,Hoを合計した希土類酸化物添加量をLnと表す〔LnはErを必須としてEr,Dy、Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む〕。そして、BaCO,MgO,Lnの混合割合を、uBaCO+vMgO+wLn(u+v+w=1)としたときの、三元成分図を図3に示す。図3において、Fの座標(u,v,w)は(0.15,0.15,0.7)、Gの座標(u,v,w)は(0.7,0.15,0.15)、Hの座標(u,v,w)は(0.7,0.24,0.06)、Jの座標(u,v,w)は(0.18,0.75,0.07)、Kの座標(u,v,w)は(0,0.75,0.25)、Lの座標(u,v,w)は(0,0.3,0.7)である。図3において、FとGとを結ぶ直線より左部の試料番号32の場合では、希土類酸化物添加量の比率が少なくなり、絶縁抵抗寿命特性が十分ではなく実用的ではない。また、GとHとを結ぶ直線より左下部の試料番号33の場合では、十分な焼結性が得られず、絶縁性がやや劣り絶縁抵抗寿命特性も十分ではなく実用的ではない。HとJを結ぶ直線より下部の試料番号35の場合では、容量温度特性は良好ではあるが、tanδの値が大きく信頼性も劣るので、薄膜の誘電体層を有する積層セラミックコンデンサなどには向かない。JとKとを結ぶ直線より右下部の試料番号34の場合では、焼結性が損なわれて焼結しない。さらにLとFとを結ぶ直線より上部の試料番号31の場合では、焼結性は十分得られるが、薄膜化したときに温度特性が悪化傾向を示すため、実用的ではない。また、この図3の三元成分図のF,G,H,J,K,Lの各点を頂点とする6角形で囲まれる領域の中の組成条件を満たしていても、MgOの添加が0.15モルより少ない試料番号36の場合では、tanδの値が高くなり信頼性も悪化傾向となって、実用的ではない。一方MgOが2.5モルを超える試料番号38の場合、積層セラミックコンデンサの静電容量温度変化率が大きくなると共に、静電容量の経時変化が大きくなる。さらにBaCO成分が1.6モルを超える試料番号37の場合では、焼結が困難になり、やはり実用的でない。
希土類酸化物添加量については実施の形態1,2で示したとおり、0.1〜3モルの範囲で、図2に示す三元成分図のA,B,D,Eを各頂点とする四角形で囲まれる領域の中の組成条件を満たしていることが好ましい。さらにMgOに関してはMg(OH)の形にして添加したほうが、分散性が安定していて好ましい。さらに粒径は0.2μm以下で比表面積は20m/g以上のものを用いるのが好ましい。各希土類酸化物は、実施の形態1,2と同様に、比表面積が7〜15m/gであり、球状形状でかつ凝集粒子の少ないものを用いることにより、分散性が向上し、上記効果が顕著になる。なお、希土類は、同様な効果が得られるならば、酸化物の形にこだわらず、水酸化物等の形でもかまわない。
(実施の形態4)
BaTiOを100モルに対し、BaCOを0.4モル、MgOを2モル、Erを0.3モル、Dyを0.3モル、Hoを0.4モル、MnをMnO4/3の形で0.2モル、SiOを0.6モル、Vを0.15モル、Alを0.25モル添加した組成を基本とする。そして、MnO4/3,SiO,V,Alの各副成分については、それぞれ表7から表10に示す添加量を基本組成に添加した誘電体磁器組成物を用いて、実施の形態1から3と同様に、図1に示す断面構造を有する積層チップコンデンサ11を試作する。ここでBaTiOは、同様に、Ba/Tiモル比が1.001、BET法で求めた比表面積が4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いた。次いで、得られた積層セラミックコンデンサ11を、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における測定した静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率をdC/C(%)として算出した結果を表7〜表10の組成を持つ積層セラミックコンデンサの特性として、おのおの表11〜表14に示す。なお、表11〜表14の試料番号は、表7〜表10の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表11〜表14に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表7〜表14中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
表7に示すMnO4/3を添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を表11に示す。表11から明らかなように、MnO4/3の添加は、酸化チタン(TiO)の還元を防止することができる。そして、中性雰囲気中あるいは還元雰囲気中で大量のグリーンチップを一度に焼成する場合でも、絶縁抵抗値の劣化を防ぐと共に静電容量のバラツキを抑制し、均質な焼結体を得ることができるという効果がある。しかしながらMnO4/3の添加量が0.01モル未満の試料番号39では焼結体が部分的に半導体化されて、静電容量のバラツキが大きくなり、また絶縁抵抗値が小さくなる。その結果、加速寿命試験において絶縁抵抗値が大幅に劣化する。また、MnO4/3が0.4モルを超えると、試料番号42のように静電容量の温度変化率、経時変化率も大きく、また絶縁抵抗の劣化も大きくなる。従って、MnはMnO4/3に換算して、BaTiOを100モルに対し、0.01〜0.4モル添加すると有効である。
また、表9に示すVを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表13の結果から明らかなように、Vの添加はTiOの還元を抑制し、絶縁抵抗を高くし、かつ、絶縁抵抗の寿命劣化を防止するという効果を有する。しかしながら、V添加量が0.26モルを超えると、試料番号50のように静電容量変化率の温度依存性が大きくなると共に、絶縁抵抗値が劣化してしまう。また、0.01モル未満だと試料番号47に示すように絶縁抵抗が低いことに加えて、加速試験後において絶縁抵抗が劣化してしまう。従って、Vの添加量はBaTiOを100モルに対して0.01〜0.26モルが有効である。
また、表8に示すSiOを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表12の結果から明らかなように、SiOの添加は、比較的低い温度の焼成において誘電体層12の焼結を促進し、静電容量値、絶縁抵抗値のバラツキを小さくする効果がある。しかしながらSiOの添加量が0.3モル未満の試料番号43の場合では、焼結性が十分ではなく、絶縁抵抗の寿命特性も悪化傾向にある。また、SiOの添加量が3.5モルを超える試料番号46の場合では、焼結性が不均一となり、tanδの値が悪化し、実用的ではない。本発明の誘電体磁器組成物は2次相を発生しやすい。2次相が形成されると積層セラミックコンデンサの機械強度が劣化してしまう恐れがある。しかしながら、さらに、表10に示すAlを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表14の結果から明らかなように、Alを添加することにより、2次相の生成を抑制することができ、特性を悪化させることなく機械的強度を向上させることができる。しかし、Alの添加量が2.5モルを超える試料番号54の場合には、tanδ値が大きくなり、0.1モル未満の試料番号51では、添加効果は顕著に表れず、温度特性における容量変化率が大きく、絶縁性もやや悪く、絶縁抵抗寿命特性も不利な方向である。なお、このAlは他の出発原料を仮焼した後に添加する。Alは、他の出発原料と同様に、最初に添加してもかまわないのであるが、仮焼後に添加することによりさらに静電容量の温度特性を向上させることができる。これらの添加物は、比表面積ができるだけ大きく分散性の良いものを用いるのが好ましい。特に、Alは、仮焼後に添加するため、特に注意が必要であり、本実施の形態では比表面積100m/gのものを用いた。
以上の結果から、本発明のBaTiOを主成分とし、これに、BaCO,MgO,Er,Dy,Ho,MnO4/3,SiO,V,Alを添加することにより、還元性雰囲気中での焼成において誘電体の還元を防止し絶縁抵抗性能を向上させた積層セラミックコンデンサ11が得られる。また、Alを添加することにより、焼結体15の表面に副成分の発生を抑制した積層セラミックコンデンサ11が得られる。さらにはEr,Dy,Hoの添加比率や、BaCO,MgO,(Er+Dy+Ho)の添加比率を限定したり、MgOをMg(OH)に置き換えることにより、容量温度特性、絶縁抵抗に優れた誘電体層5μm以下の積層セラミックコンデンサ11が得られる。
尚、本発明は、積層セラミックコンデンサの外部電極に銀などの貴金属を用いて形成した場合においても同様に優れた電気特性を有するものである。
本発明にかかる誘電体磁器組成物は、主成分としてBa/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したBaTiOを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0〜1.6モル、Ln〔LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む〕の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、V化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Si化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Al化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含む誘電体磁器組成物であり、内部電極にNi等の卑金属を用いて焼成し、外部電極にCu等の卑金属を用いて焼き付けしても、誘電体層が還元されず、優れた絶縁抵抗特性を有するので、特に例えば5μm以下の誘電体層からなる小型大容量の積層セラミックコンデンサに有用である。
本発明は誘電体磁器組成物、及びこれを用いて形成した積層セラミックコンデンサの製造方法に関するものである。
図1は誘電体磁器組成物を用いて形成した一般的な積層セラミックコンデンサ11の断面図である。図1において、積層セラミックコンデンサ11は、焼結体15の対向する両端面16,17に形成した一対の外部電極18,19に、内部電極13,14をそれぞれ電気的に接続されて構成されている。そして、この焼結体15は、焼成後に誘電体磁器組成物である誘電体層12となるシート状に形成したセラミックシートを間に挟んで複数の内部電極13,14を交互に重ね合わせ、上下に保護層20を重ねて積層体を形成し、この積層体を焼成して形成する。
そして、内部電極13,14及び外部電極18,19は、一般的に、焼成の際の誘電体層12との反応を避けるために高価な貴金属が用いられるが、最近では高価な貴金属から安価なニッケル(Ni)などの卑金属に置き換えることが進められてきている。
以上のように構成された積層セラミックコンデンサ11について、以下に従来の製造方法を説明する。
先ず、焼成後に誘電体層12となる元のセラミックシートと、焼成後に内部電極13,14となるNiなどの卑金属材料を含む電極ペーストを交互に複数層重ね、この最上層と最下層とに保護層20を重ねて圧着し積層体(図示せず)を得る。そして、この積層体を所定サイズのチップ形状に切断した後に所定の温度で焼成を行う。このとき、内部電極13,14の酸化劣化を防止するために窒素ガス雰囲気などの還元性雰囲気中で焼成を行って焼結体15を形成する。
次いで、内部電極13,14が露出した焼結体15の両端面16,17に卑金属材料よりなる外部電極ペーストを塗布し、外部電極18,19が酸化劣化しないように窒素ガス雰囲気などの還元性雰囲気中で焼き付けを行う。
このような誘電体層12の焼成時の還元劣化を抑制する誘電体磁器組成物に関する先行技術文献情報としては、例えば特開昭61−155255号公報が知られている。
しかしながら、特開昭61−155255号公報に示す誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサは、絶縁抵抗寿命特性(IR寿命特性)の劣化が大きい。その上、誘電体層12を薄くしていくに従っていっそう信頼性の確保が困難になり、静電容量の温度変化率が大きくなるという問題点を有している。さらに、内部電極13,14のNiと固溶し易い銅(Cu)を外部電極18,19として選択して還元性雰囲気中で焼結体15に焼き付ける際に、誘電体層12が還元されて、積層セラミックコンデンサの絶縁抵抗が小さくなるという問題点を有していた。
本発明の誘電体磁器組成物は、主成分としてBa/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0〜1.6モル、Ln(LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む)の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含むことを特徴とする。
本発明のコンデンサの製造方法は、主成分としてBa/Tiのモル比が0.997〜1.007であるチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0.0〜1.6モル、Ln(LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む)の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含有するセラミック粉体を混合する混合工程と、混合後のセラミック粉体を用いてセラミックスラリーを作製するスラリー作製工程と、セラミックスラリーからセラミックシートを作製するセラミックシート成形工程と、セラミックシートと卑金属を主成分とする内部電極とを交互に積層して積層体を作製する積層工程と、積層体を焼成して内部電極と誘電体層とからなる焼結体を得る焼成工程と、焼結体の内部電極が露出した端面に一対の外部電極を形成する外部電極形成工程とを含むことを特徴とする。
(実施の形態1)
以下、本発明の誘電体磁器組成物の実施の形態1について、図1を用いて積層セラミックコンデンサを例にとって説明する。
図1は、一般的な積層セラミックコンデンサ11の断面図を示す。図1において、積層セラミックコンデンサ11は、内部電極13,14を焼結体15の対向する両端面16,17にそれぞれ露出して形成している。そして、焼結体15の対向する両端面16,17に形成した一対の外部電極18,19に内部電極13,14がそれぞれ電気的に接続されて構成されている。そして、この焼結体15は、焼成後に誘電体磁器組成物である誘電体層12となるシート状に形成したセラミックシートを間に挟んで複数の内部電極13,14を交互に重ね合わせ、上下に保護層20を重ねて積層体を形成し、この積層体を焼成して形成する。この一対の外部電極18,19の表面には、おのおのニッケル(Ni)メッキ層21が形成され、さらにこのNiメッキ層21の表面に半田メッキ層22が形成されている。
このような積層セラミックコンデンサ11の製造方法に関して、以下に詳述する。
まず、出発原料であるセラミック粉体からセラミックシートを作製する製造方法を説明する。
各出発原料を、チタン酸バリウム(BaTiO)を100モルに対して表1に示す組成となるように、炭酸バリウム(BaCO)、酸化エルビウム(Er)、酸化ジスプロシウム(Dy)、酸化ホルミウム(Ho)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(MnO4/3)、二酸化ケイ素(SiO)、酸化バナジウム(V),酸化アルミニウム(Al)をそれぞれ秤量する。そして、イットリア部分安定化ジルコニアボールを媒体として、媒体攪拌ミルを用いて3.5時間湿式混合粉砕を行った後、脱水乾燥を行う。MnO4/3については、Mnの1/3モルがMnO4/31モルに相当するものとして計算し、Mnを用いて秤量する。
なお、表1には、主原料となるBaTiOのBET法(Brunauer - Emmet - Tellerの吸着等温式)で求める比表面積を示している。
Figure 2006104026
次に、この脱水乾燥した混合材料を解砕し、32メッシュ篩を全量通過させた後、材質がアルミナである坩堝に入れ、700℃〜1100℃の温度で2時間保持し仮焼する。この仮焼は、炭酸化物を分解し、主成分のBaTiOと副成分とが適度に反応した状態となるような温度で行う。この際、仮焼温度が高すぎると得られた積層セラミックコンデンサの静電容量の温度変化率が大きくなりすぎることがあるため、注意が必要である。
次いで、仮焼原料を材料混合の工程と同様に、媒体攪拌ミルで仮焼原料の平均粒径が0.7μm以下になるように湿式粉砕を行った後、脱水乾燥と32メッシュ篩を全量通過させ、誘電体材料を作製する。この際、Alを仮焼後の仮焼原料に加えて粉砕を行う。ここで、Alを加えることにより2次相の発生を防止できる。また、仮焼後、粉砕時にAlを加えることにより、仮焼原料の必要以上の固溶を防ぎ、温度特性の悪化を防止することができる。
仮焼原料の平均粒径は、レーザー回折法により測定する。
作製されたセラミック材料に、バインダーとしてポリビニルブチラール樹脂、溶剤として酢酸nブチル、可塑剤としてフタル酸ジブチルを加え、イットリア部分安定化ジルコニアボールと共に媒体攪拌ミルで3時間混合しスラリーを作製する。
表面にシリコン離型剤が付与されている支持体となるポリエステルフィルム上に、得られたスラリーをドクターブレード法を用いて塗布し、焼成後に図1に示す誘電体層12となるべきセラミックシートを成形する。このセラミックシートの厚みは、焼成後に5μmとなるように設定して作製する。
次に、このセラミックシートの表面に、Niを主成分とする内部電極ペーストをスクリーン印刷法でパターン印刷し、乾燥を行う。このNi内部電極ペーストを印刷したセラミックシートを乾燥した後、これを10枚積み重ねて熱圧着して積層体を形成する。その後、この積層体を長さ3.3mm×幅1.7mmの積層体グリーンチップ(以後、グリーンチップと略する)形状に切断する。
次に、このグリーンチップをジルコニア敷粉と混ぜ合わせアルミナ材質のサヤに入れ、Niが過度に酸化されない雰囲気中で焼成してバインダーや可塑剤などの有機物の除去を行う。その後引き続き、Niが過度に酸化されず誘電体層12が焼結できる、窒素、水素に炭酸ガスまたは水蒸気を混合して構成した還元雰囲気中で、最高温度が1180℃〜1340℃で2時間保持してグリーンチップの焼結を行う。次いで、このグリーンチップを、最高温度で保持した後の降温過程において、800〜1200℃の温度範囲を1時間経験させる。このとき、窒素、水素に炭酸ガスまたは水蒸気を用いて構成し、Niが過度に酸化されない雰囲気中で行う。この降温過程において、還元雰囲気中での焼成工程において還元された誘電体層12の再酸化を行う。その後、グリーンチップを室温まで冷却して焼結体15を作製する。
ここで、焼成工程において還元された誘電体層12の再酸化を、焼成工程の降温過程で行う例を説明したが、これに限るわけではない。例えば、焼成工程終了後に、再度800〜1200℃の温度に昇温してグリーンチップを再酸化させる再酸化工程を設けても良い。
尚、各組成の最適な焼成温度としては、それぞれの誘電体層12からなる焼結体15の密度が最大となる温度を用いる。
次に、この焼結体をバレル研磨機により表面および端面を研磨して、内部電極13,14を焼結体15の端面16,17に露出させる。その後、焼結体15の端面16,17に銅(Cu)を主成分とする外部電極18,19となる電極ペーストを塗布して、窒素と酸素を混合したCuが過度に酸化されない雰囲気中において、850℃で15分間の焼き付けを行う。この工程で、焼結体15の端面16,17に露出した内部電極13,14に、外部電極18,19がそれぞれ電気的に接続されるように形成される。
次に、外部電極18,19のそれぞれの表面に、電解メッキ法を用いてNiメッキ層21を形成する。さらに、Niメッキ層21の表面に半田メッキ層22を形成して、表1に示す各々の組成を有し、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を得る。
作製された積層セラミックコンデンサ11について、20℃、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
誘電率は積層セラミックコンデンサ試料の内部電極面積と誘電体層厚みより計算で求めた。
また、表2には、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として示す。表2中で、dC/C(%)(−55℃)とあるのは、−55℃の温度における静電容量変化率であり、またdC/C(%)(125℃)とあるのは、125℃の温度における静電容量変化率である。なお、表2の試料番号は、表1の試料番号に対応する。
また、表2には、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗(IR)値(Ω)も示す。表2では、絶縁抵抗値は、例えば1.00×10が、1.00E+08と表わされている。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表2に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。
表1、表2中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。表2から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いた試料番号2〜5,8〜9の積層セラミックコンデンサは、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値が良好である。また、それらの値のばらつきも小さい。また、絶縁抵抗値も良好な値を示し、静電容量の温度による変化率dC/C(%)も少ない。さらに、加速寿命試験後のIR劣化数も零と、良好である。
Figure 2006104026
ここで、試料番号1のように、BaTiOのBa/Ti比が0.997より小さいと絶縁抵抗が低く、絶縁抵抗寿命特性の劣化が激しい。これは、焼結時の耐還元性が十分ではないためと考えられる。一方、試料番号6のようにBa/Ti比が1.007を超えると誘電率、絶縁抵抗共に低く絶縁抵抗寿命特性も悪い。これは、十分に焼結しないためである。また、試料番号7に示すように、BaTiO材料の比表面積が3m/g未満の場合には、初期特性は満足するが、誘電体層を薄膜化した場合に絶縁抵抗寿命特性が十分ではなく、IR劣化数が大きくなっている。さらに、試料番号10のように、BaTiO材料の比表面積が8m/gを超える場合には、BaTiOの結晶性が十分ではないために、誘電率が低く、静電容量変化率の温度依存性が大きく実用的ではない。尚、BaTiOの合成には、蓚酸塩法で作製されたBaTiOを用いたが、水熱合成法、固相法等で作製されたBaTiOを用いても同様な効果が得られる。また、主成分であるBaTiOとして、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークが分かれていないものを用いた場合には、静電容量の温度による変化率が大きくなり実用的ではない。従ってX線回折角2θが40〜50°における(002)面と(200)面のピークが分かれているBaTiOが有効である。
(実施の形態2)
各出発原料をBaTiOを100モルに対し、表3に示す組成となるように、BaCO,Er,Dy,Ho,MgO,MnO4/3,SiO,V,Alをそれぞれ秤量して実施の形態1と同様に、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を作製する。ここで主材料のBaTiOには、Ba/Tiモル比が1.001、比表面積が4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いた。次いで、作製された積層セラミックコンデンサ11について、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として表4に示す。なお、表4の試料番号は、表3の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表4に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表3、表4中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
表4から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いて作製される試料番号13〜21,23の積層セラミックコンデンサは、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値は良好であり、またそれらのばらつきも小さかった。また、絶縁抵抗、静電容量変化率の温度依存性、加速寿命試験後の絶縁抵抗寿命特性のいずれも良好である。
Figure 2006104026
ここで、希土類酸化物、Er,Dy,Hoの合計が0.1モル以下の試料番号11では、十分な耐還元性が得られず、絶縁抵抗値が低く絶縁抵抗寿命特性も悪い。また、希土類酸化物の合計が3モルを超える試料番号22の場合には、焼結が困難であり、誘電率が低く絶縁抵抗寿命特性も悪化する。Er,Dy,HoをxEr+yDy+zHo(但し、x+y+z=1)と表したときの、図2に示す三元成分図において、点Aの座標(x,y,z)は(0.05,0,0.95)、点Bの座標(x,y,z)は(0.5,0,0.5)、点Dの座標(x,y,z)は(0.5,0.5,0)、点Eの座標(x,y,z)=(0.05,0.95,0)である。さらに、図2において、点B−Dを結ぶ直線より左下部、即ちErのモル比率xが0.5を超える試料番号24の場合には、焼結が十分ではなく、初期特性は満足するが絶縁抵抗寿命特性を損なう。また、Erのモル比率xが0.05モル未満の試料番号12の場合には、温度特性が悪化傾向であり、かつ絶縁抵抗寿命特性も損なう傾向にあり実用的ではない。従って、Er,Dy,Hoを最適な比率で組み合わせることにより、薄膜化した誘電体層で構成される積層セラミックコンデンサに対して温度特性が良好で絶縁抵抗寿命特性の優れたものを提供できる。なお、Er,Dy,Hoとも、BET法で求める比表面積が7〜15m/gであり、球状形状でかつ凝集粒子の少ないものを用いることにより、分散性が向上し、上記の顕著な効果が得られる。
(実施の形態3)
各出発原料をBaTiOを100モルに対し、表5に示す組成となるように、BaCO,Er,Dy,Ho,MgO,MnO4/3,SiO,V,Alをそれぞれ秤量し実施の形態1と同様に、図1に示す断面構造を有する積層セラミックコンデンサ11を作製する。ここでBaTiOは、Ba/Tiモル比が1.001、比表面積4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いる。次いで、得られた積層セラミックコンデンサ11を、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率として算出した値をdC/C(%)として表6に示す。なお、表6の試料番号は、表5の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表6に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表5、表6中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
表6から明らかなように、本発明による誘電体磁器組成物を用いて作製した試料番号25〜30は、初期性能としての誘電率と誘電正接(tanδ)の値は良好であり、そのばらつきも小さい。また絶縁抵抗、静電容量変化率の温度依存性、加速寿命試験後の絶縁抵抗寿命特性のいずれも良好である。
Figure 2006104026
ここで、Er,Dy,Hoを合計した希土類酸化物添加量をLnと表す〔LnはErを必須としてEr,Dy、Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む〕。そして、BaCO,MgO,Lnの混合割合を、uBaCO+vMgO+wLn(u+v+w=1)としたときの、三元成分図を図3に示す。図3において、Fの座標(u,v,w)は(0.15,0.15,0.7)、Gの座標(u,v,w)は(0.7,0.15,0.15)、Hの座標(u,v,w)は(0.7,0.24,0.06)、Jの座標(u,v,w)は(0.18,0.75,0.07)、Kの座標(u,v,w)は(0,0.75,0.25)、Lの座標(u,v,w)は(0,0.3,0.7)である。図3において、FとGとを結ぶ直線より左部の試料番号32の場合では、希土類酸化物添加量の比率が少なくなり、絶縁抵抗寿命特性が十分ではなく実用的ではない。また、GとHとを結ぶ直線より左下部の試料番号33の場合では、十分な焼結性が得られず、絶縁性がやや劣り絶縁抵抗寿命特性も十分ではなく実用的ではない。HとJを結ぶ直線より下部の試料番号35の場合では、容量温度特性は良好ではあるが、tanδの値が大きく信頼性も劣るので、薄膜の誘電体層を有する積層セラミックコンデンサなどには向かない。JとKとを結ぶ直線より右下部の試料番号34の場合では、焼結性が損なわれて焼結しない。さらにLとFとを結ぶ直線より上部の試料番号31の場合では、焼結性は十分得られるが、薄膜化したときに温度特性が悪化傾向を示すため、実用的ではない。また、この図3の三元成分図のF,G,H,J,K,Lの各点を頂点とする6角形で囲まれる領域の中の組成条件を満たしていても、MgOの添加が0.15モルより少ない試料番号36の場合では、tanδの値が高くなり信頼性も悪化傾向となって、実用的ではない。一方MgOが2.5モルを超える試料番号38の場合、積層セラミックコンデンサの静電容量温度変化率が大きくなると共に、静電容量の経時変化が大きくなる。さらにBaCO成分が1.6モルを超える試料番号37の場合では、焼結が困難になり、やはり実用的でない。
希土類酸化物添加量については実施の形態1,2で示したとおり、0.1〜3モルの範囲で、図2に示す三元成分図のA,B,D,Eを各頂点とする四角形で囲まれる領域の中の組成条件を満たしていることが好ましい。さらにMgOに関してはMg(OH)の形にして添加したほうが、分散性が安定していて好ましい。さらに粒径は0.2μm以下で比表面積は20m/g以上のものを用いるのが好ましい。各希土類酸化物は、実施の形態1,2と同様に、比表面積が7〜15m/gであり、球状形状でかつ凝集粒子の少ないものを用いることにより、分散性が向上し、上記効果が顕著になる。なお、希土類は、同様な効果が得られるならば、酸化物の形にこだわらず、水酸化物等の形でもかまわない。
(実施の形態4)
BaTiOを100モルに対し、BaCOを0.4モル、MgOを2モル、Erを0.3モル、Dyを0.3モル、Hoを0.4モル、MnをMnO4/3の形で0.2モル、SiOを0.6モル、Vを0.15モル、Alを0.25モル添加した組成を基本とする。そして、MnO4/3,SiO,V,Alの各副成分については、それぞれ表7から表10に示す添加量を基本組成に添加した誘電体磁器組成物を用いて、実施の形態1から3と同様に、図1に示す断面構造を有する積層チップコンデンサ11を試作する。ここでBaTiOは、同様に、Ba/Tiモル比が1.001、BET法で求めた比表面積が4.3m/gで、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において(002)面と(200)面のピークの二つに分かれているものを用いた。次いで、得られた積層セラミックコンデンサ11を、20℃の温度で、周波数1kHzにおける誘電率、誘電正接(tanδ)を測定する。
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
また、−55〜+125℃の温度範囲における測定した静電容量値の25℃の温度での静電容量値Cとの差dCを、25℃の温度での静電容量値Cで除算した静電容量変化率をdC/C(%)として算出した結果を表7〜表10の組成を持つ積層セラミックコンデンサの特性として、おのおの表11〜表14に示す。なお、表11〜表14の試料番号は、表7〜表10の試料番号に対応する。
また、室温において直流電圧25Vを印加したときの絶縁抵抗値(Ω)も示す。さらに、125℃の温度下でDC100Vの電圧を250時間連続印加する加速寿命試験を行った後のIR劣化数を表11〜表14に示す。ここで、IR劣化数は、50個の試料について加速寿命試験後の絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が1×10Ω以下に劣化した試料を劣化不良としてカウントする数である。絶縁抵抗値の表記は表2と同様である。表7〜表14中で、*印は本発明の範囲外の組成からなる誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサ試料であることを示す。
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
Figure 2006104026
表7に示すMnO4/3を添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を表11に示す。表11から明らかなように、MnO4/3の添加は、酸化チタン(TiO)の還元を防止することができる。そして、中性雰囲気中あるいは還元雰囲気中で大量のグリーンチップを一度に焼成する場合でも、絶縁抵抗値の劣化を防ぐと共に静電容量のバラツキを抑制し、均質な焼結体を得ることができるという効果がある。しかしながらMnO4/3の添加量が0.01モル未満の試料番号39では焼結体が部分的に半導体化されて、静電容量のバラツキが大きくなり、また絶縁抵抗値が小さくなる。その結果、加速寿命試験において絶縁抵抗値が大幅に劣化する。また、MnO4/3が0.4モルを超えると、試料番号42のように静電容量の温度変化率、経時変化率も大きく、また絶縁抵抗の劣化も大きくなる。従って、MnはMnO4/3に換算して、BaTiOを100モルに対し、0.01〜0.4モル添加すると有効である。
また、表9に示すVを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表13の結果から明らかなように、Vの添加はTiOの還元を抑制し、絶縁抵抗を高くし、かつ、絶縁抵抗の寿命劣化を防止するという効果を有する。しかしながら、V添加量が0.26モルを超えると、試料番号50のように静電容量変化率の温度依存性が大きくなると共に、絶縁抵抗値が劣化してしまう。また、0.01モル未満だと試料番号47に示すように絶縁抵抗が低いことに加えて、加速試験後において絶縁抵抗が劣化してしまう。従って、Vの添加量はBaTiOを100モルに対して0.01〜0.26モルが有効である。
また、表8に示すSiOを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表12の結果から明らかなように、SiOの添加は、比較的低い温度の焼成において誘電体層12の焼結を促進し、静電容量値、絶縁抵抗値のバラツキを小さくする効果がある。しかしながらSiOの添加量が0.3モル未満の試料番号43の場合では、焼結性が十分ではなく、絶縁抵抗の寿命特性も悪化傾向にある。また、SiOの添加量が3.5モルを超える試料番号46の場合では、焼結性が不均一となり、tanδの値が悪化し、実用的ではない。本発明の誘電体磁器組成物は2次相を発生しやすい。2次相が形成されると積層セラミックコンデンサの機械強度が劣化してしまう恐れがある。しかしながら、さらに、表10に示すAlを添加した誘電体磁器組成物を用いた積層セラミックコンデンサの特性を示す表14の結果から明らかなように、Alを添加することにより、2次相の生成を抑制することができ、特性を悪化させることなく機械的強度を向上させることができる。しかし、Alの添加量が2.5モルを超える試料番号54の場合には、tanδ値が大きくなり、0.1モル未満の試料番号51では、添加効果は顕著に表れず、温度特性における容量変化率が大きく、絶縁性もやや悪く、絶縁抵抗寿命特性も不利な方向である。なお、このAlは他の出発原料を仮焼した後に添加する。Alは、他の出発原料と同様に、最初に添加してもかまわないのであるが、仮焼後に添加することによりさらに静電容量の温度特性を向上させることができる。これらの添加物は、比表面積ができるだけ大きく分散性の良いものを用いるのが好ましい。特に、Alは、仮焼後に添加するため、特に注意が必要であり、本実施の形態では比表面積100m/gのものを用いた。
以上の結果から、本発明のBaTiOを主成分とし、これに、BaCO,MgO,Er,Dy,Ho,MnO4/3,SiO,V,Alを添加することにより、還元性雰囲気中での焼成において誘電体の還元を防止し絶縁抵抗性能を向上させた積層セラミックコンデンサ11が得られる。また、Alを添加することにより、焼結体15の表面に副成分の発生を抑制した積層セラミックコンデンサ11が得られる。さらにはEr,Dy,Hoの添加比率や、BaCO,MgO,(Er+Dy+Ho)の添加比率を限定したり、MgOをMg(OH)に置き換えることにより、容量温度特性、絶縁抵抗に優れた誘電体層5μm以下の積層セラミックコンデンサ11が得られる。
尚、本発明は、積層セラミックコンデンサの外部電極に銀などの貴金属を用いて形成した場合においても同様に優れた電気特性を有するものである。
本発明にかかる誘電体磁器組成物は、主成分としてBa/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したBaTiOを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0〜1.6モル、Ln〔LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含む〕の化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、V化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Si化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Al化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含む誘電体磁器組成物であり、内部電極にNi等の卑金属を用いて焼成し、外部電極にCu等の卑金属を用いて焼き付けしても、誘電体層が還元されず、優れた絶縁抵抗特性を有するので、特に例えば5μm以下の誘電体層からなる小型大容量の積層セラミックコンデンサに有用である。
一般的な積層セラミックコンデンサの断面図 Er−Dy−Ho(x,y,z)の構成比率を示す三元成分図 Ba−Mg−Ln(u,v,w)の構成比率を示す三元成分図
符号の説明
11 積層セラミックコンデンサ
12 誘電体層
13,14 内部電極
15 焼結体
16,17 焼結体の端面
18,19 外部電極
20 保護層
21 ニッケルメッキ層
22 半田メッキ層

Claims (11)

  1. 主成分としてBa/Tiのモル比を0.997〜1.007に調整したチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0〜1.6モル、LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含むものであるとしたとき、Lnの化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含むことを特徴とする誘電体磁器組成物。
  2. x+y+z=1として前記Lnの化合物を一般式xEr+yDy+zHoと表したとき、前記Lnの化合物の組成はx、y、zをモル比率で示す三元成分図において、x,y,zが下記のA,B,D,Eを頂点とする四角形の領域内にあることを特徴とする請求項1記載の誘電体磁器組成物、
    A:(x,y,z)=(0.05,0,0.95)
    B:(x,y,z)=(0.5,0,0.5)
    D:(x,y,z)=(0.5,0.5,0)
    E:(x,y,z)=(0.05,0.95,0)。
  3. u+v+w=1として副成分のうち前記BaCOと前記MgOと前記Lnの組成比をuBaCO+vMgO+wLnと表したとき、u,v,wをモル比率で示す三元成分図において、下記のE,F,G,H,J,K,Lを頂点とする六角形の領域内にあることを特徴とする請求項1記載の誘電体磁器組成物、
    F:(u,v,w)=(0.15,0.15,0.7)
    G:(u,v,w)=(0.7,0.15,0.15)
    H:(u,v,w)=(0.7,0.24,0.06)
    J:(u,v,w)=(0.18,0.75,0.07)
    K:(u,v,w)=(0,0.75,0.25)
    L:(u,v,w)=(0,0.3,0.7)。
  4. 主成分としてBa/Tiのモル比が0.997〜1.007であるチタン酸バリウムを100モルに対し、副成分として少なくともMgの化合物をMgOに換算して0.15〜2.5モル、Baの化合物をBaCOに換算して0.0〜1.6モル、LnはErを必須としてEr,Dy,Hoのうちから選ばれた2種または3種の元素を含むものであるとしたとき、Lnの化合物をLnに換算して0.1〜3.0モル、Mnの化合物をMnO4/3に換算して0.01〜0.4モル、Vの化合物をVに換算して0.01〜0.26モル、Siの化合物をSiOに換算して0.3〜3.5モル、Alの化合物をAlに換算して0.01〜2.5モル含有するセラミック粉体を混合する混合工程と、混合後の前記セラミック粉体を用いてセラミックスラリーを作製するスラリー作製工程と、前記セラミックスラリーからセラミックシートを作製するセラミックシート成形工程と、前記セラミックシートと卑金属を主成分とする内部電極とを交互に積層して積層体を作製する積層工程と、前記積層体を焼成して内部電極と誘電体層とからなる焼結体を得る焼成工程と、前記焼結体の前記内部電極が露出した端面に一対の外部電極を形成する外部電極形成工程とを含むことを特徴とするコンデンサの製造方法。
  5. 前記セラミック粉体を混合する前記混合工程は、媒体攪拌ミルを用いることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
  6. 前記セラミックスラリーを作製する前記スラリー作製工程は、前記セラミックスラリーの混合に媒体攪拌ミルを用いることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
  7. 前記主成分であるチタン酸バリウムは、BET法で測定した比表面積が3〜8m/gであるものを用いることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
  8. 前記主成分であるチタン酸バリウムは、X線回折チャートにおけるX線回折角2θが40〜50°の範囲において、(200)面の回折ピークと(002)面の回折ピークの2つの回折ピークが分離したものを用いることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
  9. 前記Mgの化合物としてMg(OH)を用いることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
  10. 前記Alの化合物を除くセラミック粉体を混合する前記混合工程と、混合後に、前記セラミック粉体を仮焼する工程と、仮焼後の前記セラミック粉体に前記Alの化合物を添加する工程と、添加後の前記セラミック粉体を用いてセラミックスラリーを作製する前記スラリー作製工程とを含むことを特徴とする請求項4記載のコンデンサの製造方法。
  11. 前記外部電極形成工程の前に、前記焼結体中の前記誘電体層を再酸化する工程を設けることを特徴とする請求項4に記載のコンデンサの製造方法。
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