KR102496771B1 - 적층형 전자부품 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

높은 신뢰성을 확보할 수 있는 적층형 전자부품을 제공한다. 유전체층은 원소로서 Ba와 Ti와 Si와 희토류 원소인 Re와 M(M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소)을 포함한다. 적층체는 복수개의 내부전극층이 각각 유전체층을 통해 마주보고 있는 전극 상대부와, 전극 상대부를 둘러싸는 외주부를 가진다. 전극 상대부에서의 유전체층에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때에 Si의 양 a가 0.01≤a≤0.1, Re의 양 b가 0.1≤b≤3.0, M의 양 c가 0.2≤c≤5.0이다. Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m은 0.965≤m≤0.990이다.

Description

적층형 전자부품{Multilayer Electronic Component}
본 개시는 적층형 전자부품에 관한 것이다.
적층 세라믹 콘덴서 등의 적층형 전자부품은 차재기기 등 높은 신뢰성이 요구되는 전자기기에 대한 적용이 진행되고 있다. 본 명세서에서 말하는 신뢰성이란, 고온부하 시험에서 소정의 값까지 절연 저항이 저하되는 시간의 길이(이후, 고온부하 수명이라고 호칭하는 경우가 있음)를 가리키는 것으로 한다. 적층형 전자부품의 일례로서 일본 공개특허공보 특개2005-194138호에 기재된 적층 세라믹 콘덴서를 들 수 있다.
일본 공개특허공보 특개2005-194138호
일본 공개특허공보 특개2005-194138호에서는 유전체층에 포함되는 각 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 하여 각 원소의 양을 규정하고 있다. 즉, Ba의 양과 Ca의 양의 합계의 Ti의 양에 대한 비(比)는 0.990 이상 1.030 이하이고, 희토류 원소인 Re의 양은 0.050 이상 2.5 이하이며, Si의 양은 0.20 이상 8.0 이하이다. 일본 공개특허공보 특개2005-194138호에서는 유전체층을 구성하는 각 원소의 양을 조정함으로써 높은 신뢰성을 확보하고 있다.
적층 세라믹 콘덴서는 유전체층과 내부전극층이 적층된 적층체를 포함하고 있다. 발명자에 의한 예의연구의 결과, 유전체층 중의 Si의 양이 많은 경우, 유전체층은 고온에서 변형되기 쉬워지는 것을 알 수 있었다. 즉, 적층체의 소성 중에 내부전극층이 과잉으로 소결되어 국소적으로 두께가 증대된 경우, 그에 대응하여 유전체층이 변형되고, 내부전극층의 두께의 증대 부분에서 유전체층의 두께가 감소할 우려가 있다. 또한, 소성 후 적층체를 필요에 따라 고온에서 열처리하는 경우에도 동일한 우려가 있다. 이와 같은 국소적인 유전체층의 두께 감소는 유전체층의 박층화를 진행시킨 경우, 신뢰성을 저하시킬 우려가 있다.
본 개시의 목적은 고온에서의 유전체층의 변형을 억제할 수 있고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 적층형 전자부품을 제공하는 것이다.
본 개시에 따른 적층형 전자부품은 적층된 복수개의 유전체층과 복수개의 내부전극층을 포함하는 적층체를 포함한다. 유전체층은 원소로서 Ba와 Ti와 Si와 Re와 M을 포함한다. 단, Re는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. 또한, M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다.
적층체는 복수개의 내부전극층이 각각 유전체층을 통해 마주보는 전극 상대부(相對部)와, 전극 상대부를 둘러싸는 외주부(外周部)를 가진다. 전극 상대부에서의 유전체층에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때에 Si의 양 a는 0.01≤a≤0.1이다. 또한, Re의 양 b는 0.1≤b≤3.0이다. 더욱이 M의 양 c는 0.2≤c≤5.0이다. 그리고 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m은 0.965≤m≤0.990이다.
본 개시에 따른 적층형 전자부품은 고온에서의 유전체층의 변형을 억제할 수 있고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1a는 본 개시에 따른 적층형 전자부품의 제1 실시형태인 적층 세라믹 콘덴서(100)의 길이방향 중앙부의 단면도이다.
도 1b는 적층 세라믹 콘덴서(100)의 폭방향 중앙부의 단면도이다.
도 2는 BaO-TiO2계 2차원 상태도이다.
도 3은 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m과 유전체층(11)이 치밀화되는 소성 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 유전체층(11)의 평균 두께 ta 및 두께 t의 변동 계수 CV를 조사하기 위해 준비한 시료의, 길이방향 중앙부의 단면도이다.
도 4b는 유전체층(11)의 평균 두께 ta, 두께 t의 변동 계수 CV 및 복수개의 결정립(G)의 메디안(median) 지름을 조사하기 위한, 도 4a의 중앙 영역에서의 주사형 전자현미경(이후, SEM으로 약칭하는 경우가 있음) 관찰상의 모식도이다.
도 5a는 본 개시에 따른 적층형 전자부품의 제2 실시형태인 적층 세라믹 콘덴서(100A)의 적층체(10A)의 제1 주면(主面)(14a)을 본 윗면도이다.
도 5b는 적층체(10A)의 제1 측면(15a)을 본 측면도이다.
도 5c는 적층체(10A)의 제2 단면(端面)(16b)을 본 정면도이다.
본 개시의 특징으로 하는 바를 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 이하에 나타내는 적층형 전자부품의 각 실시형태에서는 동일하거나 공통되는 부분에 대해 도면 중 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는 경우가 있다.
-적층형 전자부품의 제1 실시형태-
본 개시에 따른 적층형 전자부품의 제1 실시형태를 나타내는 적층 세라믹 콘덴서(100)에 대해 도 1a 내지 도 4를 이용하여 설명한다.
<적층 세라믹 콘덴서의 구조>
적층 세라믹 콘덴서(100)의 구조에 대해 이하에 설명한다. 도 1a 및 도 1b는 적층 세라믹 콘덴서(100)의 단면도이다. 적층 세라믹 콘덴서(100)는 적층체(10)를 포함하고 있다. 적층체(10)는 적층된 복수개의 유전체층(11)과 복수개의 내부전극층(12)을 포함한다.
유전체층(11)은 원소로서 Ba와 Ti와 Si와 Re와 M을 포함한다. 단, Re는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. 또한, M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. 유전체층(11)은 화합물로서 BaTiO3을 기본적인 구조로 하는 페로브스카이트형 화합물을 포함하는 복수개의 결정립(G)(도 4a 및 도 4b 참조, 후술)을 가진다.
한편, 유전체층(11)에서 Si는 결정립(G)의 입계에 존재하고, 일부가 결정립(G)의 입자 내에 고용(固溶)되어 있다(도시하지 않음). 이 유전체층(11)의 미세 구조에 대해서는 후술한다.
내부전극층(12)을 구성하는 도전성 재료로는 Ni, Ni합금, Cu 및 Cu합금 중 하나에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 내부전극층(12)은 공재(共材)라고 불리는 유전체 입자를 더 포함하고 있어도 된다. 공재는 적층체(10)의 소성 시에 내부전극층(12)의 소결 수축 특성을 유전체층(11)의 소결 수축 특성에 가깝게 하기 위해 첨가되는 것이며, 그 효과가 발현되는 것이면 된다.
적층체(10)는 제1 주면(14a) 및 제2 주면(14b)과, 제1 측면(15a) 및 제2 측면(15b)과, 제1 단면(16a) 및 제2 단면(16b)을 가진다. 제1 주면(14a) 및 제2 주면(14b)은 적층방향에서 마주보고 있다. 제1 측면(15a) 및 제2 측면(15b)은 적층방향과 직교하는 폭방향에서 마주보고 있다. 제1 단면(16a) 및 제2 단면(16b)은 적층방향 및 폭방향과 직교하는 길이방향에서 마주보고 있다.
즉, 도 1a는 적층 세라믹 콘덴서(100)의 길이방향 중앙부의 단면도이다. 도 1b는 적층 세라믹 콘덴서(100)의, 폭방향 중앙부의 단면도이다.
복수개의 유전체층(11)은 외층부와 내층부를 포함한다. 외층부는 적층체(10)의 제1 주면(14a)과 제1 주면(14a)에 가장 가까운 내부전극층(12) 사이에 마련된 제1 외층부(D1)와, 제2 주면(14b)과 제2 주면(14b)에 가장 가까운 내부전극층(12) 사이에 마련된 제2 외층부(D2)를 포함한다. 내층부는 제1 외층부(D1)와 제2 외층부(D2)에 끼인 영역에 배치되어 있다.
복수개의 내부전극층(12)은 제1 내부전극층(12a)과 제2 내부전극층(12b)을 가진다. 제1 내부전극층(12a)은 유전체층(11)을 개재하여 제2 내부전극층(12b)과 마주보는 영역과, 적층체(10)의 제1 단면(16a)으로 연장되는 인출 영역을 가지고 있다. 제2 내부전극층(12b)은 유전체층(11)을 개재하여 제1 내부전극층(12a)과 마주보는 영역과, 적층체(10)의 제2 단면(16b)으로 연장되는 인출 영역을 가지고 있다.
적층체(10)에서 제1 내부전극층(12a)과 제2 내부전극층(12b)이 유전체층(11)을 개재하여 마주보고 있는 부분을 전극 상대부(13a)로 한다(도 1a, 도 1b에서 파선으로 둘러싸인 부분).
하나의 제1 내부전극층(12a)과 하나의 제2 내부전극층(12b)이 유전체층(11)을 개재하여 마주봄으로써 하나의 콘덴서가 형성된다. 적층 세라믹 콘덴서(100)는 전극 상대부(13a)에 포함되는 복수개의 콘덴서가 후술할 제1 외부전극(17a) 및 제2 외부전극(17b)을 통해 병렬 접속되어 있는 것이라고 할 수 있다.
적층체(10)는 전극 상대부(13a)와 제1 측면(15a) 사이에 마련된 제1 마진부(M1)와, 전극 상대부(13a)와 제2 측면(15b) 사이에 마련된 제2 마진부(M2)를 포함한다. 또한, 적층체(10)는 전극 상대부(13a)와 제1 단면(16a) 사이에 마련된 제3 마진부(M3)와, 전극 상대부(13a)와 제2 단면(16b) 사이에 마련된 제4 마진부(M4)를 포함한다. 한편, 제3 마진부(M3)에는 제1 내부전극층(12a)의 인출 영역이 배치되어 있다. 또한, 제4 마진부(M4)에는 제2 내부전극층(12b)의 인출 영역이 배치되어 있다.
적층체(10)에서 전극 상대부(13a)를 둘러싸도록 배치되어 있는 제1 외층부(D1), 제2 외층부(D2), 제1 마진부(M1), 제2 마진부(M2), 제3 마진부(M3) 및 제4 마진부(M4)를 외주부(13b)로 한다.
적층 세라믹 콘덴서(100)는 제1 외부전극(17a)과 제2 외부전극(17b)을 더 포함하고 있다. 제1 외부전극(17a)은 제1 내부전극층(12a)과 전기적으로 접속되도록 제1 단면(16a)에 형성되고, 제1 단면(16a)으로부터 제1 주면(14a), 제2 주면(14b), 제1 측면(15a) 및 제2 측면(15b)으로 연장되어 있다. 제2 외부전극(17b)은 제2 내부전극층(12b)과 전기적으로 접속되도록 제2 단면(16b)에 형성되고, 제2 단면(16b)으로부터 제1 주면(14a), 제2 주면(14b), 제1 측면(15a) 및 제2 측면(15b)으로 연장되어 있다.
제1 외부전극(17a) 및 제2 외부전극(17b)은 하부전극층과 하부전극층 상에 배치된 도금층을 가진다. 하부전극층은 소결체층, 도전성 수지층, 금속 박막층 및 도금층에서 선택되는 적어도 하나를 포함한다.
소결체층은 금속 분말과 유리 분말을 포함하는 페이스트가 베이킹된 것이며, 도전체 영역과 산화물 영역을 포함한다. 도전체 영역은 상기 금속 분말이 소결된 금속 소결체를 포함하고 있다. 금속 분말로는 Ni, Cu 및 Ag 등에서 선택되는 적어도 1종 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 산화물 영역은 상기 유리 분말에 유래하는 유리 성분을 포함하고 있다. 유리 분말로는 B2O3-SiO2-BaO계 유리 재료 등을 사용할 수 있다.
한편, 소결체층은 다른 성분으로 복수층 형성되어 있어도 된다. 또한, 소결체층은 적층체(10)와 동시 소성되어도 되고, 적층체(10)가 소성된 후에 베이킹되어도 된다.
도전성 수지층은 예를 들면 금속 미립자와 같은 도전성 입자와 수지부를 포함한다. 도전성 입자를 구성하는 금속으로는 Ni, Cu 및 Ag 등에서 선택되는 적어도 1종 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 수지부를 구성하는 수지로는 에폭시계 열경화성 수지 등을 사용할 수 있다. 도전성 수지층은 다른 성분으로 복수층 형성되어 있어도 된다.
금속 박막층은 스퍼터링 또는 증착 등의 박막 형성법에 의해 형성되고, 금속 미립자가 퇴적된 두께 1㎛ 이하의 층이다. 금속 박막층을 구성하는 금속으로는 Ni, Cu, Ag 및 Au 등에서 선택되는 적어도 1종 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 금속 박막층은 다른 성분으로 복수층 형성되어 있어도 된다.
하부전극으로서의 도금층은 적층체(10) 상에 직접 마련되고, 상술한 내부전극층과 직접 접속된다. 상기 도금층에는 Cu, Ni, Sn, Au, Ag, Pd 및 Zn 등에서 선택되는 적어도 1종 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 예를 들면, 내부전극층(12)을 구성하는 금속으로 Ni를 사용한 경우, 상기 도금층으로는 내부전극층(12)과의 접합성이 좋은 Cu를 사용하는 것이 바람직하다.
하부전극층 상에 배치된 도금층을 구성하는 금속으로는 Ni, Cu, Ag, Au 및 Sn 등에서 선택되는 적어도 1종 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 상기 도금층은 다른 성분으로 복수층 형성되어 있어도 된다. 바람직하게는 Ni도금층 및 Sn도금층의 2층이다.
Ni도금층은 하부전극층 상에 배치되고, 적층형 전자부품을 실장할 때에 하부전극층이 솔더에 의해 침식되는 것을 방지할 수 있다. Sn도금층은 Ni도금층 상에 배치된다. Sn도금층은 Sn을 포함하는 솔더와의 젖음성이 좋기 때문에, 적층형 전자부품을 실장할 때에 실장성을 향상시킬 수 있다. 한편, 이들 도금층은 필수가 아니다.
<유전체층에 포함되는 원소의 양>
적층 세라믹 콘덴서(100)에서 전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때에 각 원소는 이하의 범위 내에 있다.
즉, Si의 양 a는 0.01≤a≤0.1이다. 또한, 희토류 원소인 Re의 양 b는 0.1≤b≤3.0이다. 단, Re는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. 더욱이 M의 양 c는 0.2≤c≤5.0이다. M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. 그리고 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m은 0.965≤m≤0.990이다.
유전체층(11)에 포함되는 원소의 양은 적층체(10)의 외주부(13b)를 연마에 의해 제거하고, 남은 전극 상대부(13a)를 산에 의해 용해하고, 얻어진 용액을 고주파 유도결합 플라즈마 발광분광 분석(이후, ICP 분석으로 약칭하는 경우가 있음)함으로써 구해졌다. 한편, 전극 상대부(13a)를 용해 처리하여 용액으로 하는 방법에 특별한 제약은 없다.
이 방법에서는 유전체층(11) 및 내부전극층(12)을 동시에 용해하기 때문에, 분석 시에는 유전체층(11)에 포함되는 원소 이외에 내부전극층(12)에 포함되는 원소도 검출되게 된다. 그 때문에, 상기 ICP 분석의 결과로부터, 기지(旣知)인 내부전극층(12)에 포함되는 원소를 제외한 것을, 유전체층(11)을 용해 처리한 용액을 ICP 분석한 결과로 간주했다. 또한, 그 결과로서 검출된 원소를 몰부로 나타낸 것을 유전체층(11)에 포함되는 원소의 양으로 간주했다.
상술한 바와 같이, 적층 세라믹 콘덴서에서 유전체층 중의 Si의 양이 많은 경우, 유전체층은 고온에서 변형되기 쉬워진다. 그 결과, 소성 중 또는 고온에서의 열처리 중에 내부전극층의 두께의 증대 부분에서 유전체층의 두께가 감소할 우려가 있다. 한편, Si의 양을 적게 하면, 유전체층이 치밀화되는 온도가 높아진다. 그 경우, 유전체층이 치밀화된 상태에서는 내부전극층의 두께의 국소적 증대가 진행되고, 내부전극층의 두께의 증대 부분에서의 유전체층의 두께가 더 감소할 우려가 있다. 즉, 상기 과제를 해결하기 위해서는 Si의 양을 감소시키면서, 유전체층이 치밀화되는 소성 온도의 상승을 억제할 필요가 있다.
도 2는 BaTiO3에 관련된 BaO-TiO2계 2차원 상태도이다. 적층 세라믹 콘덴서(100)에서는 유전체층(11) 내의 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m이 0.965≤m≤0.990의 범위 내에 있다. 이 경우, 도 2에 도시되는 바와 같이, 적층체(10)의 소성 중에 BaTi2O5, BaTi3O7 및 BaTi4O9 등의, BaTiO3에 비해 저(低)융점의 화합물이 생성된다. 이 저융점 화합물이 소결 조제로서의 역할을 다하므로, Si의 양을 상술한 범위까지 감소시켜도 유전체층(11)이 치밀화되는 소성 온도의 상승을 억제할 수 있다.
도 3은 유전체층(11) 중의 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m과 유전체층(11)이 치밀화되는 소성 온도의 관계를 나타낸 그래프이다. 적층 세라믹 콘덴서(100)에서는 유전체층(11) 내의 Si의 양 a가 0.01≤a≤0.1의 범위 내에 있다. 도 3의 그래프에 도시된 실험 결과에서의 Si의 양은 각 원소를 몰부로 나타낸 경우에 Ti의 양을 100으로 했을 때, 0.1이다. 또한, Si의 양이 0.8인 비교예도 함께 도시되어 있다.
각 조성에서 유전체층이 치밀화되는 소성 온도의 결정을 위해, 내부전극층을 포함하지 않는 유전체 단판(單板)이 제작되고, 소성 온도와 겉보기 밀도의 관계가 조사되었다. 그리고 소성 온도에 대한 겉보기 밀도의 변화가 실질적으로 없어진 온도 범위에서의 최저 온도를 유전체층이 치밀화되는 소성 온도로 간주했다.
이를 보면, Si의 양이 0.8인 경우, 비 m이 1.008에서도 1200℃에서 치밀화된다. 단, 이 경우, 고온에서 유전체층이 변형되기 쉬워질 우려가 있다. 한편, 고온에서의 유전체층의 변형을 억제하기 위해, Si의 양을 0.1까지 감소시키면, 비 m이 1.008에서는 1260℃에서 치밀화되지 않는다. 이는 Ti의 양에 비해 Ba의 양이 많기 때문에 상술한 저융점 화합물이 생성되기 어려운 것이 원인으로 생각된다.
그러나 비 m을 상술한 범위 내로 하고 저융점 화합물을 생성되기 쉽게 함으로써, Si의 양이 0.8인 경우와 동등한 1200℃부터 1210℃에서 유전체층이 치밀화된다. 한편, Si의 양이 0.01까지 저감되어도, 비 m을 상술한 범위 내로 함으로써, 1250℃까지의 소성 온도에서 유전체층이 치밀화되는 것이 별도 확인되어 있다.
적층 세라믹 콘덴서(100)에서는 유전체층(11) 내의 Re(원소의 종류에 대해서는 상술)의 양 b가 0.1≤b≤3.0의 범위 내에 있다. 또한, M(원소의 종류에 대해서는 상술)의 양 c가 0.2≤c≤5.0의 범위 내에 있다.
내부전극층(12)의 재료로서 Ni, Ni합금, Cu 및 Cu합금 중 하나에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 상기 금속을 포함하는 합금이 사용된 경우, 적층체(10)의 소성은 환원 분위기 중에서 실시될 필요가 있다. 한편, 유전체층 중의 Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m이 1.000 이하이고, 유전체층 중에 희토류 원소인 Re가 포함되어 있는 경우, 소성 중에 유전체층이 환원되고 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
또한, BaTiO3을 포함하는 유전체층을 포함하는 적층 세라믹 콘덴서의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 직류 전압이 인가된 경우의 유전체층 중의 산소공공(空孔)의 이동을 억제할 필요가 있다. 신뢰성 향상을 위해서는 BaTiO3의 결정 격자 중의 Ba의 양 2가의 이온인 Ba2+를, 희토류 원소 Re의 양 3가의 이온인 Re3+에 의해 치환하는 것이 효과적이라고 여겨지고 있다(이후, 이온의 표기는 상기에 따르는 경우가 있음).
상기와 같이 Ba2+가 Re3+로 치환되면, 양전하가 과잉이 된다. 그 때문에, 전기적 중성 조건을 만족하도록, 상대적으로 음 2가로 대전되어 있다고 간주되는 Ba공공이 생성된다. 이 Ba공공과, 상대적으로 양 2가로 대전되어 있다고 간주할 수 있는 산소공공은 안정적인 결함 쌍을 형성한다. Ba공공은 직류 전압이 인가된 경우에서도 이동하기 어렵기 때문에, Ba공공에 사로잡힌 산소공공의 이동이 억제된다.
적층 세라믹 콘덴서(100)에서는 Re와 M이 상술한 원소 및 범위임으로써, 비 m이 0.965≤m≤0.990의 범위 내에 있으면서, 절연 저항의 저하가 억제되고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
예를 들면, 적층 세라믹 콘덴서(100)에서 유전체층(11) 중의 Si의 양을 0.1, Re인 Dy의 양을 1.0, M인 Mg, Mn 및 V의 양을, Mg가 0.3, Mn이 0.1 및 V가 0.05, 비 m을 0.990으로 한다. 또한, 적층 세라믹 콘덴서(100)의 외형 치수를 길이 1.6㎜, 폭 0.8㎜로 하고, 유전체층(11)의 두께를 0.5㎛, 내부전극층(12)의 수를 300매로 한다.
그 경우, 절연 파괴 전압은 40V 이상이 되고, 온도 150℃에서 4V의 직류 전압을 인가한 고온부하 시험에서의 평균 고장 시간은 100시간 이상이 되었다. 이 평균 고장 시간은 신뢰성의 지표로서 채용한 것이며, 예를 들면 이하의 절차에 의해 측정할 수 있다.
즉, 온도 150℃에서 4V의 직류 전압을 인가한 고온부하 시험을 실시하고, 그들의 저항값의 경시 변화를 측정한다. 유전체층(11)에 인가된 전계 강도는 유전체층(11)의 두께가 0.5㎛인 경우, 8㎸/㎜가 된다. 100개의 적층 세라믹 콘덴서에 대해, 저항값이 1㏁ 이하가 된 시간을 고장 시간으로 하고, 고장 시간의 와이블 해석으로부터 평균 고장 시간을 구한다.
적층 세라믹 콘덴서(100)는 절연 파괴 전압이 40V 이상, 상기 조건에서의 고온부하 시험에서의 평균 고장 시간이 100시간 이상이라는 높은 신뢰성을 가지고 있다. 즉, 적층 세라믹 콘덴서(100)는 고온에서의 유전체층의 변형을 억제할 수 있고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
적층 세라믹 콘덴서(100)는 유전체층(11)이 이하의 특징을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)의 평균 두께 ta가 0.5㎛ 이하이다. 또한, 전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)을 구성하는 복수개의 결정립(G)의 메디안 지름의 유전체층(11)의 평균 두께 ta에 대한 비 n이 0.14≤n≤0.8이다. 또한, 전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)의 두께 t의 편차를 나타내는 변동 계수 CV가 15% 이하인 것이 바람직하고, 이에 추가로 유전체층(11)이 상기 특징을 가지고 있는 경우는 더 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 유전체층(11)의 평균 두께 ta, 두께 t의 변동 계수 CV 및 복수개의 결정립(G)의 메디안 지름을 조사하기 위한 설명도이다. 도 4a는 준비한 시료의 길이방향 중앙부의 단면도이다. 도 4b는 상기 각 수치를 조사하는 방법에 대해 설명하기 위한, 도 4a의 중앙 영역에서의 SEM 관찰상의 모식도이다.
유전체층(11)의 평균 두께 ta는 하기와 같이 하여 측정할 수 있다. 우선, 적층체(10)의 길이와 두께에 의해 규정되는 절단면(도 4a에 도시되어 있는 면)이 노출되도록 폭방향의 1/2 정도 깊이까지 연마를 실시했다. 그리고 연마에 의한 내부전극층(12)의 연장을 없애기 위해 이온밀링에 의해 상기 절단면을 가공했다.
얻어진 연마 후 적층체에 대해, 도 4a에 도시되는 바와 같이, 상기 절단면의 길이방향의 중앙부 근방에서 내부전극층(12)과 직교하는 바와 같은 가상선(OL)을 상정했다. 그리고 가상선(OL)을 따라 연마체의 정전 용량의 취득에 따른 유전체층(11)과 제1 내부전극층(12a)과 제2 내부전극층(12b)이 적층된 영역을 적층방향으로 3등분하여 상부 영역, 중앙 영역 및 하부 영역의 3개의 영역으로 나누었다.
유전체층(11)의 두께 t는 상기 가상선(OL) 상의 각 영역 중앙부에서 SEM 관찰상의 화상 해석을 실시함으로써 구해졌다. 단, 두께 t의 측정은 각 영역에서 가장 바깥의 유전체층(11), 및 내부전극층(12)이 결손되어 있음으로써 2층 이상의 유전체층(11)이 연결되어서 관찰되는 부분을 제외하여 실시했다.
유전체층(11)의 평균 두께 ta는 도 4b에 도시되는 바와 같이, 유전체층(11)의 복수 군데(10군데 이상)에서의 두께 t의 산술 평균으로서 구할 수 있다. 또한, 유전체층(11)의 두께 t의 편차를 나타내는 변동 계수 CV는 유전체층(11) 두께의 측정값(10점 이상)의 표준 편차 σ를 유전체층(11)의 평균 두께 ta로 나눔으로써 구해진다.
전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)을 구성하는 복수개의 결정립(G)의 메디안 지름은 SEM 관찰상의 화상 해석에 의해 얻어진, 결정립(G)의 등가원(等價圓) 환산 직경의 적산%의 분포로부터 구할 수 있다. 결정립(G)의 메디안 지름이란, 입경에 대한 적산%의 분포 곡선에서 적산%가 50%가 되는 입경(D50)이다.
복수개의 결정립(G)의 메디안 지름의 유전체층(11)의 평균 두께 ta에 대한 비 n이 0.14≤n≤0.8인 경우, 고온에서의 유전체층의 변형의 억제에 더해, 결정립의 미세화에 의해 보다 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 이 것은 유전체층(11)의 평균 두께 ta가 0.5㎛ 이하인 경우에 현저한 효과로서 얻어진다.
또한, 전극 상대부(13a)에서의 유전체층(11)의 두께 t의 편차를 나타내는 변동 계수 CV가 15% 이하인 경우, 유전체층(11) 두께의 편차, 특히 얇은 부분의 발생이 확실하게 억제되어 있다. 그 때문에, 고온에서의 유전체층의 변형의 억제에 더해, 국소적인 전계 강도의 증대 억제에 의해, 더 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
-적층형 전자부품의 제2 실시형태-
본 개시에 따른 적층형 전자부품의 제2 실시형태를 나타내는 적층 세라믹 콘덴서(100A)에 대해 도 5를 이용하여 설명한다. 적층 세라믹 콘덴서(100A)는 외주부(13b)의 특징을 더 설명한 것이다. 전극 상대부(13a)의 특징은 적층 세라믹 콘덴서(100)와 동일하기 때문에 설명은 생략된다.
적층 세라믹 콘덴서(100A)에서는 제1 외부전극(17a)은 도전체 영역과 Si를 포함하는 산화물 영역을 가지는 소결체층(17a1)과, 소결체층(17a1) 상에 배치된 도금층(17a2)을 포함한다. 마찬가지로, 제2 외부전극(17b)은 소결체층(17b1)과, 소결체층(17b1) 상에 배치된 도금층(17b2)을 포함한다. 한편, 각 도금층은 필수가 아니다. 한편, 제1 외부전극(17a) 및 제2 외부전극(17b)은 적층 세라믹 콘덴서(100)와 동일한 위치에 형성되어 있다.
여기서, 외주부(13b)에서 각 외부전극의 각 소결체층에 접하는 두께 10㎛의 영역에서의 Si의 양의 평균값 d에 착안한다. 적층 세라믹 콘덴서(100A)에서는 외주부(13b)에서의 유전체층(11)에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때, 이 영역의 Si의 양의 평균값 d는 5a≤d이다.
적층 세라믹 콘덴서(100A)의 외주부(13b)에서의 제2 외부전극(17b)에 접하는 영역의 Si의 양의 조사 방법에 대해 설명한다. 도 5a는 적층 세라믹 콘덴서(100A)의 적층체(10A)의 제1 주면(14a)을 본 윗면도이다. 도 5b는 적층체(10A)의 제1 측면(15a)을 본 측면도이다. 도 5c는 적층체(10A)의 제2 단면(16b)을 본 정면도이다.
적층체(10)의 제1 주면(14a)에서 도 5a에 도시된 위치에 있는, 소결체층(17b1)에 접하는 3개의 영역(R1 내지 R3)을 주면 측의 관찰 영역으로서 설정한다. 또한, 적층체(10)의 제1 측면(15a)에서 도 5b에 도시된 위치에 있는, 소결체층(17b1)에 접하는 3개의 영역(R4 내지 R6)을 측면 측의 관찰 영역으로서 설정한다. 더욱이, 적층체(10)의 제2 단면(16b)에서 도 5c에 도시된 위치에 있는, 소결체층(17b1)에 접하는 3개의 영역(R7 내지 R9)을 단면 측의 관찰 영역으로서 설정한다.
이상과 같이 설정한 적층체(10)의 각 관찰 영역의 중앙부를 포함하는 소정의 영역에서 외주부(13b)의 표면으로부터 깊이방향의 조성 분석이 가능하도록, 적층체(10)의 절단면을 노출시킨 9개의 시료를 제작한다. 얻어진 각 시료에 대해, 파장분산형 X선 분석(이후, WDX 분석으로 약칭하는 경우가 있음)에 의한 원소 분석을 실시한다. WDX 분석은 상기 각 관찰 영역의 중앙부를 포함하는 소정의 영역, 및 영역(R2)의 분석을 실시하기 위해 제작된 시료에서의 전극 상대부(13a)의 중앙부를 포함하는 소정의 영역에 대해 실시한다.
그리고 상기 조성 분석에 의해 얻어진, 각 관찰 영역의 중앙부를 포함하고 외주부(13b)의 표면으로부터 두께 10㎛의 영역에서의 Si의 양의 평균값 d와 전극 상대부(13a)의 중앙부를 포함하는 영역에서의 Si의 양 a을 비교한다.
적층 세라믹 콘덴서(100A)에서는 상기 9개의 시료 중 어느 것에서도 외주부(13b)의 표면으로부터 두께 10㎛의 영역에서의 Si의 양의 평균값 d와 전극 상대부(13a)의 중앙부를 포함하는 영역에서의 Si의 양 a는 5a≤d를 만족하는 것이 확인되었다. 이 것은 외주부(13b)에서 각 외부전극의 소결체층에 접해 있는 다른 영역에 대해서도 당연히 실현되어 있다고 추정된다.
이는 각 외부전극의 소결체층이 금속 분말과 Si를 포함하는 유리 분말을 포함하는 페이스트의 베이킹에 의해 적층체(10) 상에 형성되는 것에 관계한다. 즉, 베이킹 중에, 유리 분말 중의 Si의 일부는 페이스트에 접해 있는 외주부(13b)의 표면으로부터 깊이방향 및 주변으로 확산되어 간다. 본 개시에 따른 적층체(10) 중의 Si의 양은 상술한 바와 같이 종래에 비해 적으므로, 그 결과, 전극 상대부(13a)에서의 Si의 양 a와 외주부(13b)의 각 외부전극의 소결체층과 접하는 영역이 상술한 관계를 만족한다.
적층체(10) 중의 Si의 양이 상술한 관계를 만족하는 경우, 상기 형성 과정으로부터 외주부(13b)의 각 외부전극의 소결체층과 접하는 영역과 소결체층은 강고하게 접합되어 있고, 양자의 계면에서의 틈의 발생이 억제되어 있다. 따라서, 적층 세라믹 콘덴서(100A)에서는 고온에서의 유전체층의 변형의 억제에 의한 높은 신뢰성 확보에 더해, 내습성을 향상시킬 수 있다.
-적층형 전자부품의 제조 방법-
본 개시에 따른 적층형 전자부품의 실시형태를 나타내는 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법에 대해 제조 공정순으로 설명한다. 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법은 이하의 각 공정을 포함한다.
이 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법은 BaTiO3 분말의 표면에 다양한 첨가물이 부여된 분말(유전체 원료 분말)을 사용하여 복수개의 세라믹 그린시트를 얻는 공정을 포함한다. 한편, "그린"이라는 문언은 "소결 전"을 나타내는 표현이며, 이후도 그 의미로 사용된다. 세라믹 그린시트 중에는 유전체 원료 분말 이외에 바인더 성분이 포함되어 있다. 바인더 성분에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
첨가물은 원소로서 Si와 Re와 M을 포함한다. 단, Re는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이며, M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소이다.
상기 유전체 원료 분말은 예를 들면 BaTiO3 분말의 표면에 첨가물의 유기 화합물을 부여하고 가소(假燒; calcination) 하여 유기 성분을 연소시킴으로써, 첨가물이 산화물의 상태에서 BaTiO3 분말의 표면에 부여된 상태가 되도록 하여 제작할 수 있다. 단, 이에 한정되지 않고, 유기 화합물의 상태이어도 되며, 또는 산화물과 유기 화합물이 혼재된 상태이어도 된다.
BaTiO3 분말은 예를 들면 BaCO3 분말과 TiO2 분말의 혼합물을 가소하여 BaTiO3 분말로서 얻을 수 있다. 한편, 이미 옥살산법 또는 수열합성법 등 기지의 방법에 의해 제작되어 있는 BaTiO3 분말이 사용되어도 된다.
이 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법은 예를 들면 내부전극층용 페이스트를 인쇄함으로써, 세라믹 그린시트에 내부전극층 패턴을 형성하는 공정을 포함한다. 내부전극층용 페이스트는 Ni, Ni합금, Cu 및 Cu합금 중 하나를 포함하는 금속 분말과, BaTiO3 분말의 표면에 다양한 첨가물이 부여된 분말(공재)과, 바인더 성분을 포함한다. 바인더 성분에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 한편, 공재는 필수가 아니다.
상기 공재는 예를 들면 BaTiO3 분말의 표면에 첨가물의 유기 화합물을 부여하고, 가소하여 유기 성분을 연소시킴으로써, 첨가물이 산화물의 상태에서 BaTiO3 분말의 표면에 부여된 상태가 되도록 하여 제작할 수 있다. 단, 이에 한정되지 않고, 유기 화합물의 상태이어도 되며, 또는 산화물과 유기 화합물이 혼재된 상태이어도 된다. 또한, BaTiO3 분말에 한정되지 않고, BaTiO3 고용체 분말이어도 된다. 공재는 유전체 원료 분말과 동일한 것이어도 되고, 다른 것이어도 된다. 한편, 내부전극층 패턴 형성은 상기 내부전극층용 페이스트의 인쇄 이외의 방법이어도 된다.
이 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법은 내부전극 패턴이 형성된 세라믹 그린시트를 포함하는 복수개의 세라믹 그린시트를 적층하여 그린 적층체를 얻는 공정을 포함한다.
이 적층 세라믹 콘덴서(100)의 제조 방법은 그린 적층체를 소결시켜서 적층된 복수개의 유전체층과 복수개의 내부전극층을 포함하는 적층체를 얻는 공정을 포함한다. 상기 소결 공정에서는 예를 들면 800℃부터 적층체를 소결시키는 최고 온도까지를 1℃/초 이상 100℃/초 이하로 급속 온도 상승시키도록 해도 된다. 또한, 얻어진 적층체를 800℃ 이상 1200℃ 이하에서 열처리하도록 해도 된다.
본 명세서에 개시된 각 실시형태는 예시적인 것으로서, 본 개시에 따른 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 개시에 따른 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 나타내지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다. 또한, 상기 범위 내에서 다양한 응용, 변형을 가할 수 있다.
예를 들면, 적층체를 구성하는 유전체층의 수 및 재질, 그리고 내부전극층의 수 및 재질에 관하여, 본 발명의 범위 내에서 다양한 응용 또는 변형을 가할 수 있다. 또한, 적층형 전자부품으로서 적층 세라믹 콘덴서를 예시했는데, 본 개시에 따른 발명은 그에 한정되지 않고, 다층 기판의 내부에 형성된 콘덴서 요소 등에도 적용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 적층된 복수개의 유전체층과 복수개의 내부전극층을 포함하는 적층체를 포함하고,
    상기 유전체층은 원소로서 Ba와 Ti와 Si와 Re(Re는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소)와 M(M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, Cu, Mg, Li, Al, Mo, W 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종류의 원소)을 포함하며,
    상기 적층체는 상기 복수개의 내부전극층이 각각 상기 유전체층을 통해 마주보는 전극 상대부(相對部)와, 상기 전극 상대부를 둘러싸는 외주부(外周部)를 가지며,
    상기 전극 상대부에서의 유전체층에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때에,
    Si의 양 a가 0.01≤a≤0.1,
    Re의 양 b가 0.1≤b≤3.0,
    M의 양 c가 0.2≤c≤5.0, 및
    Ba의 양의 Ti의 양에 대한 비 m이 0.965≤m≤0.990이고,
    상기 외주부 상에 형성되고 상기 내부전극층과 전기적으로 접속되는 외부전극을 더 포함하며,
    상기 외부전극은 도전체 영역과 Si를 포함하는 산화물 영역을 가지는 소결체층을 포함하고,
    상기 외주부에서의 유전체층에 포함되는 원소의 양을 몰부로 나타낸 경우, Ti의 양을 100으로 했을 때의 상기 외주부의 상기 소결체층에 접하는 두께 10㎛의 영역에서의 Si의 양의 평균값 d가 5a≤d인, 적층형 전자부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 상대부에서의 유전체층의 평균 두께 ta가 0.5㎛ 이하이고,
    상기 전극 상대부에서의 유전체층을 구성하는 복수개의 결정립의 메디안(median) 지름의 상기 평균 두께 ta에 대한 비 n은 0.14≤n≤0.8인, 적층형 전자부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 상대부에서의 유전체층 두께의 편차를 나타내는 변동 계수 CV가 15% 이하인, 적층형 전자부품.
  4. 삭제
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