JPWO2012096223A1 - 積層セラミックコンデンサ及び積層セラミックコンデンサの製造方法 - Google Patents

積層セラミックコンデンサ及び積層セラミックコンデンサの製造方法 Download PDF

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Abstract

誘電体層がより一層薄層化されても、高温負荷試験の寿命特性の優れた積層セラミックコンデンサを提供する。積層セラミックコンデンサ1の誘電体層2を構成する誘電体セラミックとして、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、前記TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたとき、Laを2〜6モル部、Mgを3〜5モル部、Mnを1.5〜3モル部の範囲で含有するものを用いる。

Description

本発明は積層セラミックコンデンサに関するものである。また、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。
代表的なセラミック電子部品の一つである積層セラミックコンデンサは、一般的に、積層されている複数の誘電体層と、誘電体層間の界面に沿って形成されている複数の内部電極と、を有する積層体と、積層体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続されている複数の外部電極と、を備えている。
近年のエレクトロニクス技術の進展に伴い、積層セラミックコンデンサには小型化かつ大容量化が要求されている。これらの要求を満たすため、積層セラミックコンデンサの誘電体層の薄層化が進められている。しかし、誘電体層を薄層化すると、1層あたりに加わる電界強度が相対的に高くなる。よって、誘電体層に用いられる誘電体セラミックに対しては、電圧印加時における信頼性、特に高温負荷試験の寿命特性の向上が求められる。
誘電体層を構成する誘電体セラミックとしては、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1には、未反応のBaOの含有量が0.7重量%以下でかつBa/Tiモル比が1.005〜1.025であるBaTiO3が95.0〜98.0モル%と、La、Nd、Sm、Dy、Erの中から選ばれる少なくとも1種類の希土類酸化物が2.0〜5.0モル%とからなる主成分100重量部に対して、副成分としてMnOを0.3〜1.5重量部およびBaO−SrO−Li2O−SiO2を主成分とする酸化物ガラスを0.5〜2.5重量部含有した、誘電体セラミックが記載されている。
特開平4−169003号公報
ところが、特許文献1には誘電体層を薄層化した場合についての記載がない。したがって、特許文献1に記載の誘電体セラミックが、薄層化が進んだ近年の積層セラミックコンデンサの誘電体層として用いられた場合に、電圧印加時における信頼性が高いかどうかは不明である。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであって、誘電体層がより一層薄層化し、高電界強度の電圧が印加されても、良好な誘電特性を有し、高温負荷試験の寿命特性の優れた積層セラミックコンデンサを提供することを目的とする。
本発明に係る積層セラミックコンデンサ(請求項1に係る積層セラミックコンデンサ)は、積層されている複数の誘電体層と、誘電体層間の界面に沿って形成されている複数の内部電極と、を有する積層体と、積層体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続されている複数の外部電極と、を備え、積層体の組成が、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、さらに、La、MgおよびMnを含み、積層体を溶剤により溶解したときのTiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、La:2〜6モル部、Mg:3〜5モル部、Mn:1.5〜3モル部であることを特徴としている。
また、本発明に係る積層セラミックコンデンサ(請求項6に係る積層セラミックコンデンサ)は、積層されている複数の誘電体層と、誘電体層間の界面に沿って形成されている複数の内部電極と、を有する積層体と、積層体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続されている複数の外部電極と、を備え、誘電体層の組成が、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、さらに、La、MgおよびMnを含み、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、La:2〜6モル部、Mg:3〜5モル部、Mn:1.5〜3モル部であることを特徴としている。
さらに、本発明に係る誘電体積層セラミックコンデンサの製造方法(請求項11に係る積層セラミックコンデンサの製造方法)は、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とする主成分粉末を用意する工程と、La化合物、Mg化合物、Mn化合物を用意する工程と、主成分粉末、La化合物、Mg化合物、Mn化合物を混合し、その後、セラミックスラリーを得る工程と、セラミックスラリーからセラミックグリーンシートを得る工程と、セラミックグリーンシートと、内部電極層と、を積み重ねて焼成前の積層体を得る工程と、焼成前の積層体を焼成して、誘電体層間に内部電極が形成された積層体を得る工程と、を備え、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、La:2〜6モル部、Mg:3〜5モル部、Mn:1.5〜3モル部であることを特徴としている。
なお、上述した本発明に係る積層セラミックコンデンサまたは積層セラミックコンデンサの製造方法においては、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、Laの含有モル部が4〜6モル部であることが好ましい。
また、Laの含有量を100モル部としたときの、Ce、Pr、およびNdの合計含有量が20モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。
また、Laの含有量を100モル部としたときの、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、およびErの合計含有量が10モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。
さらに、Laの含有量を100モル部としたときの、Tm、Yb、およびLuの合計含有量が5モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。
この発明に係る誘電体セラミックによれば、上記のような組成を有することにより、誘電体層がより一層薄層化し、高電界強度の電圧が印加されても、良好な誘電特性を有し、高温負荷試験の寿命特性の優れた積層セラミックコンデンサを提供することが可能である。
本発明に係る積層セラミックコンデンサを示す断面図である。
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
図1は、本発明に係る積層セラミックコンデンサの断面図である。
積層セラミックコンデンサ1は、積層体5を備えている。積層体5は、積層されている複数の誘電体層2と、複数の誘電体層2間の界面に沿って形成されている複数の内部電極3及び4と、を備えている。内部電極3及び4の材質としては、例えばNiを主成分とするものが挙げられる。
積層体5の外表面上の互いに異なる位置には、外部電極6及び7が形成されている。外部電極6及び7の材質としては、例えばAg又はCuを主成分とするものが挙げられる。図1に示した積層セラミックコンデンサでは、外部電極6及び7は、積層体5の互いに対向する各端面上に形成されている。内部電極3及び4は、それぞれ外部電極6及び7と電気的に接続されている。そして、内部電極3及び4は、積層体5の内部において誘電体層2を介して交互に積層されている。
なお、積層セラミックコンデンサ1は、2個の外部電極6及び7を備える2端子型のものであっても、多数の外部電極を備える多端子型のものであっても良い。
誘電体層2は、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたとき、Laを2〜6モル部、Mgを3〜5モル部、Mnを1.5〜3モル部の範囲で含有している誘電体セラミックで構成されている。このように、主成分に対して、LaとMgとMnを一定量の範囲で同時に含有している場合には、高温負荷試験の寿命特性の優れた積層セラミックコンデンサが得られる。
また、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたとき、Laを4〜6モル部の範囲で含有することがより好ましい。この場合には、高温負荷試験の寿命特性のより優れた積層セラミックコンデンサが得られる。
また、Laの含有量を100モル部としたとき、Ce、Pr、およびNdの合計含有量が20モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。また、Laの含有量を100モル部としたとき、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、およびErの合計含有量が10モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。また、Laの含有量を100モル部としたとき、Tm、Yb、およびLuの合計含有量が5モル部以下(0モル部を含む)であることが好ましい。これらの場合にも、高温負荷試験の寿命特性のより優れた積層セラミックコンデンサが得られる。
なお、BaとCaとSrの合計の、TiとZrの合計に対するモル比は適宜設定され、好ましくは0.98〜1.05の範囲で選ばれる。
誘電体セラミックの原料粉末は、例えば、固相合成法で作製される。具体的には、まず、主成分の構成元素を含む酸化物、炭酸物、塩化物、金属有機化合物等の化合物粉末を所定の割合で混合し、仮焼する。なお、固相合成法の他に、共沈法や水熱法やシュウ酸法等を適用しても良い。
積層セラミックコンデンサは、例えば、以下のように作製される。上記のようにして得られた誘電体セラミックの原料粉末を用いてセラミックスラリーを作製する。そして、シート成形法等でセラミックグリーンシートを成形する。そして、複数のセラミックグリーンシートのうち所定のセラミックグリーンシート上に、内部電極となるべき導電性ペーストを印刷等で塗布する。そして、複数のセラミックグリーンシートを積層した後に圧着して、生の積層体を得る。そして、生の積層体を焼成する。この焼成する工程で、誘電体セラミックの原料粉末が焼成され、誘電体セラミックで構成される誘電体層が得られる。その後、積層体の端面に外部電極を焼き付け等で形成する。
次に、この発明に基づいて実施した実験例について説明する。
[実験例1]
実験例1では、チタン酸バリウムを主成分として、主成分に対してLa、Mg、及びMnの含有量を変化させた誘電体セラミックを用いて積層セラミックコンデンサを作製して、高温負荷寿命試験を実施した。
(A)誘電体セラミックの原料粉末の作製
主成分の出発原料として、BaCO3及びTiO2の各粉末を用意した。そして、これらをTiに対するBaのモル比が1.01となるように秤量して、水を媒体としてボールミルにより一定時間混合した。その後に1000℃で仮焼して、粉砕して主成分のセラミック粉末を得た。
次に、副成分の出発原料として、La23、MgCO3、MnCO3、及びSiO2の各粉末を用意した。そして、これらの粉末を主成分のセラミック粉末中のTi100モル部に対するLaの含有量がaモル部、Mgの含有量がbモル部、Mnの含有量がcモル部、Siの含有量が1.5モル部となるように秤量して、主成分のセラミック粉末に配合して、ボールミルにより水中で混合した。その後、蒸発及び乾燥して,主成分に対してLa、Mg、及びMnの含有量を変化させた、誘電体セラミックの原料粉末を得た。表1に、各実験条件の試料における、a、b、cの値を示す。
なお、得られた原料粉末をICP発光分光分析したところ、表1に示した調合組成とほとんど同一であることが確認された。
(B)積層セラミックコンデンサの作製
まず、誘電体層となるべきセラミックグリーンシートを形成した。具体的には、上記の原料粉末に、ポリビニルブチラール系バインダ及びエタノールを加えて、ボールミルにより湿式混合した。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形して、セラミックグリーンシートを得た。
次に、生の積層体を形成した。具体的には、特定のセラミックグリーンシート上に、Niを主成分として含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、内部電極となるべき導電性ペースト膜を形成した。そして、導電性ペースト膜が形成されたセラミックグリーンシートを、導電性ペースト膜の引き出されている側が互い違いになるように複数枚を積層した後に圧着して、生の積層体を得た。
次に、生の積層体を焼成した。具体的には、まず、還元雰囲気で300℃の温度に加熱して、バインダを燃焼させた。その後、酸素分圧が10-10MPaのH2−N2−H2Oガスからなる還元性雰囲気中にて、1250℃の温度で3時間焼成した。
この焼成後の積層体を溶剤により溶解し、ICP発光分光分析をしたところ、内部電極成分のNiを除いては、表1に示した調合組成と殆ど同一であることが確認された。
次に、外部電極を形成した。具体的には、積層体の両端面にB23−Li2O−SiO2−BaO系ガラスフリットを含有するCuペーストを塗布した。その後、窒素雰囲気中で800℃の温度で加熱して、Cuペーストを焼き付けた。
以上のようにして作製した積層セラミックコンデンサの外形寸法は、長さ1.6mm、幅3.2mm、厚さ0.7mmであり、有効誘電体層の層数は100層であり、誘電体層1層あたりの内部電極の対向面積は2.5mm2であった。また、内部電極間に介在する誘電体層の厚さは3.0μm、内部電極の厚さは0.8μmであった。
(C)高温負荷寿命試験
得られた積層セラミックコンデンサについて、高温負荷寿命試験を実施した。
まず、各試料に係る積層セラミックコンデンサに、温度150℃にて、90Vの電圧を印加して、その絶縁抵抗の経時変化を測定した。そして、100個の試料で高温負荷寿命試験を実施し、絶縁抵抗値が10kΩ以下になった試料を故障と判定し、故障時間のワイブル解析から50%の平均故障時間(MTTF)を求めた。ここでは、MTTFは500時間以上を良好な条件とした。
表1に、各実験条件の試料における、高温負荷寿命試験のMTTFの結果を示す。なお、表1において、試料番号に*を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
Figure 2012096223
試料番号1では、Ti100モル部に対して、Laの含有量が1.0モル部であり、MTTFが小さい結果となった。また、試料番号5では、Laの含有量が8.0モル部であり、MTTFが小さい結果となった。
試料番号6では、Mgの含有量が2.0モル部であり、MTTFが小さい結果となった。また、試料番号10では、Mgの含有量が6.0モル部であり、MTTFが小さい結果となった。
試料番号11では、Mnの含有量が0.5モル部であり、MTTFが小さい結果となった。また、試料番号14では、Mnの含有量が3.5モル部であり、MTTFが小さい結果となった。
一方、試料番号2〜4、7〜9、12、13では、Laの含有量が2〜6モル部、Mgの含有量が3〜5モル部、及びMnの含有量が1.5〜3モル部の範囲内であり、MTTFが880時間以上という良好な寿命特性を示した。特に、試料番号3、4では、Laの含有量が4〜6モル部であり、MTTFも1350時間以上という良好な寿命特性を示した。
[実験例2]
実験例2では、Laの含有量と、Re(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)元素のLaに対するモル比を変化させた誘電体セラミックを用いて積層セラミックコンデンサを作製した。
(A)誘電体セラミックの原料粉末の作製
まず、実験例1と同様の方法で主成分のセラミック粉末を得た。
次に、副成分の出発原料として、実験例1で示した粉末の他に、Ce23、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Y23、Ho23、Er23、Tm23、Yb23、Lu23の各粉末を用意し、これらの粉末を主成分のセラミック粉末中のTi100モル部に対するLaの含有量がa1モル部、Reの含有量がa2モル部、Mgの含有量が3モル部、Mnの含有量が2モル部、Siの含有量が1.5モル部となるように秤量して、主成分のセラミック粉末に配合して、誘電体セラミックの原料粉末を得た。表2に、各実験条件の試料における、a1、a2の値を示す。
なお、得られた原料粉末をICP発光分光分析したところ、表2に示した調合組成とほとんど同一であることが確認された。
(B)積層セラミックコンデンサの作製
上記誘電体セラミックの原料粉末を用いて、実験例1と同様の方法で積層セラミックコンデンサを作製した。
焼成後の積層体を溶剤により溶解し、ICP発光分光分析をしたところ、内部電極成分のNiを除いては、表2に示した調合組成と殆ど同一であることが確認された。
(C)高温負荷寿命試験
得られた積層セラミックコンデンサについて、実験例1と同様の方法で高温負荷寿命試験を実施した。表2に、各実験条件の試料における、高温負荷寿命試験のMTTFの結果を示す。
Figure 2012096223
試料番号21〜35はいずれの条件もMTTFが510時間以上の良好な寿命特性を示した。
特に、試料番号21〜24では、Ce、Pr、及びNdのLaに対するモル比が0.2以下であり、MTTFが800時間以上となった。また、試料番号26〜30では、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、及びErのLaに対するモル比が0.1以下であり、MTTFが790時間以上となった。また、試料番号32〜34では、Tm、Yb、及びLuのLaに対するモル比が0.05以下であり、MTTFが700時間以上となった。
1 積層セラミックコンデンサ
2 誘電体層
3、4 内部電極
5 積層体
6、7 外部電極

Claims (15)

  1. 積層されている複数の誘電体層と、前記誘電体層間の界面に沿って形成されている複数の内部電極と、を有する積層体と、前記積層体の外表面に形成され、前記内部電極と電気的に接続されている複数の外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサにおいて、
    前記積層体の組成が、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、さらに、La、MgおよびMnを含み、
    前記積層体を溶剤により溶解したときのTiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、
    La:2〜6モル部、
    Mg:3〜5モル部、
    Mn:1.5〜3モル部
    であることを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
  2. 前記積層体を溶剤により溶解したときのTiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、Laの含有モル部が4〜6モル部であることを特徴とする、請求項1に記載の積層セラミックコンデンサ。
  3. 前記積層体を溶剤により溶解したときのLaの含有量を100モル部としたときの、Ce、Pr、およびNdの合計含有量が20モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項1または2に記載の積層セラミックコンデンサ。
  4. 前記積層体を溶剤により溶解したときのLaの含有量を100モル部としたときの、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、およびErの合計含有量が10モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサ。
  5. 前記積層体を溶剤により溶解したときのLaの含有量を100モル部としたときの、Tm、Yb、およびLuの合計含有量が5モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサ。
  6. 積層されている複数の誘電体層と、前記誘電体層間の界面に沿って形成されている複数の内部電極と、を有する積層体と、前記積層体の外表面に形成され、前記内部電極と電気的に接続されている複数の外部電極と、を備える積層セラミックコンデンサにおいて、
    前記誘電体層の組成が、BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とし、さらに、La、MgおよびMnを含み、
    TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、
    La:2〜6モル部、
    Mg:3〜5モル部、
    Mn:1.5〜3モル部
    であることを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
  7. 前記誘電体層の組成が、TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、Laの含有モル部が4〜6モル部であることを特徴とする、請求項6に記載の積層セラミックコンデンサ。
  8. 前記誘電体層の組成が、Laの含有量を100モル部としたときの、Ce、Pr、およびNdの合計含有量が20モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項6または7に記載の積層セラミックコンデンサ。
  9. 前記誘電体層の組成が、Laの含有量を100モル部としたときの、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、およびErの合計含有量が10モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項6ないし8のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサ。
  10. 前記誘電体層の組成が、Laの含有量を100モル部としたときの、Tm、Yb、およびLuの合計含有量が5モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項6ないし9のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサ。
  11. BaおよびTiを含むペロブスカイト型化合物(ただし、Baの一部はCa及びSrの少なくとも一方で置換しても良く、Tiの一部はZrで置換しても良い)を主成分とする主成分粉末を用意する工程と、
    La化合物、Mg化合物、Mn化合物を用意する工程と、
    前記主成分粉末、前記La化合物、Mg化合物、Mn化合物を混合し、その後、セラミックスラリーを得る工程と、
    前記セラミックスラリーからセラミックグリーンシートを得る工程と、
    前記セラミックグリーンシートと、内部電極層と、を積み重ねて焼成前の積層体を得る工程と、
    前記焼成前の積層体を焼成して、誘電体層間に内部電極が形成された積層体を得る工程と、
    を備える積層セラミックコンデンサの製造方法であって、
    TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、各元素の含有モル部が、
    La:2〜6モル部、
    Mg:3〜5モル部、
    Mn:1.5〜3モル部
    であることを特徴とする積層セラミックコンデンサの製造方法。
  12. TiおよびZrの合計含有量を100モル部としたときの、Laの含有モル部が4〜6モル部であることを特徴とする、請求項11に記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
  13. Laの含有量を100モル部としたときの、Ce、Pr、およびNdの合計含有量が20モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項11または12に記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
  14. Laの含有量を100モル部としたときの、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、およびErの合計含有量が10モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項11ないし13のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
  15. Laの含有量を100モル部としたときの、Tm、Yb、およびLuの合計含有量が5モル部以下(0モル部を含む)であることを特徴とする、請求項11ないし14のいずれか1項に記載の積層セラミックコンデンサの製造方法。
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