WO2010067865A1 - 半導体セラミック及び正特性サーミスタ - Google Patents

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WO2010067865A1
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alkali metal
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直晃 阿部
勝 勇人
正人 後藤
岸本 敦司
中山 晃慶
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株式会社 村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor ceramic and a positive temperature coefficient thermistor, and more specifically, a positive temperature coefficient thermistor used for a semiconductor ceramic having a positive resistance temperature coefficient (hereinafter referred to as “PTC characteristic”), a heater, and the like. Hereinafter, it is referred to as “PTC thermistor”).
  • Barium titanate (BaTiO 3 ) -based semiconductor ceramics have PTC characteristics that generate heat when a voltage is applied and the resistance value increases rapidly when the Curie point Tc at which phase transition from tetragonal to cubic is exceeded.
  • a PTC thermistor used for a heater is required to have a high Curie point Tc because it is used at a high temperature.
  • a part of Ba in BaTiO 3 has been replaced with Pb to raise the Curie point Tc.
  • Patent Document 1 in a structure of Ba 1-2X (BiNa) x TiO 3 (where 0 ⁇ x ⁇ 0.15) in which a part of Ba of BaTiO 3 is substituted with Bi—Na, Nb
  • a method for producing a BaTiO 3 -based semiconductor ceramic that is sintered in nitrogen after adding one or more of tantalum, Ta, and rare earth elements, and then heat-treated in an oxidizing atmosphere.
  • Patent Document 1 a BaTiO 3 semiconductor ceramic having a Curie point Tc as high as 140 to 255 ° C. and a resistance temperature coefficient of 16 to 20% / ° C. is obtained although it is lead-free.
  • Patent Document 2 discloses that the composition formula is [(Al 0.5 A 2 0.5 ) x (Ba 1-y Q y ) 1-x ] TiO 3 (where A1 is one or more of Na, K, and Li). , A2 represents Bi, Q represents one or more of La, Dy, Eu, and Gd), and the x and y satisfy 0 ⁇ x ⁇ 0.2 and 0.002 ⁇ y ⁇ 0.01. Semiconductor porcelain compositions have been proposed.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and even if it contains an alkali metal element or Bi, it does not cause surface discoloration, and can reliably prevent deterioration of the resistance value over time even when energized for a long time. It is an object of the present invention to provide a lead-free semiconducting ceramic and a PTC thermistor using the same.
  • the present inventors having a perovskite structure (general formula A m BO 3) a ⁇ Ba, (M1, Bi) , Ca, Ln) ⁇ m TiO 3 system material (M1 is an alkali metal element, Ln is a rare earth element
  • M1 is an alkali metal element
  • Ln is a rare earth element
  • the semiconductor ceramic according to the present invention is a lead-free semiconductor ceramic that does not substantially contain lead, and is represented by the general formula A m BO 3.
  • a m BO 3 a part of Ba constituting the A site is substituted with an alkali metal element, Bi, Ca, Sr, and a rare earth element, and the A site is constituted by the BaTiO 3 composition having a perovskite structure.
  • the content of Ca and Sr when the total number of moles of the elements to be processed is 1 mol is 0.05 ⁇ x ⁇ 0.20, 0.02 ⁇ y ⁇ 0. 12 and 2x + 5y ⁇ 0.7 are satisfied.
  • substantially free of lead means that Pb is not intentionally added, and such a composition system in which Pb is not intentionally added is referred to as a non-lead type in the present invention.
  • the content of Ca is characterized in that the molar ratio x is 0.125 ⁇ x ⁇ 0.175.
  • the semiconductor ceramic of the present invention is characterized in that the alkali metal element is at least one of Na and K.
  • the PTC thermistor according to the present invention is a PTC thermistor in which a pair of external electrodes are formed on the surface of the component body, wherein the component body is formed of the semiconductor ceramic.
  • a BaTiO 3 composition having a perovskite structure represented by the general formula A m BO 3 is a main component, and a part of Ba constituting the A site is an alkali metal element, Bi , Ca, Sr and rare earth elements, and the content of Ca and Sr in the A site is 0.05 ⁇ x ⁇ 0.20, 0.02 when the molar ratio is x, y. Since ⁇ y ⁇ 0.12 and 2x + 5y ⁇ 0.7 are satisfied, surface discoloration does not occur even when energized for a long time, and a highly reliable semiconductor ceramic in which a change in resistance value is suppressed can be obtained. .
  • the component element body is formed of the above-described semiconductor ceramic. It is possible to obtain a PTC thermistor having good reliability while ensuring the above.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a PTC thermistor according to the present invention. It is a microscope picture of sample number 1. It is a SEM image of sample number 1.
  • FIG. 4 is a diagram in which measurement points of sample numbers 1 to 46 are plotted together with the composition range of the present invention.
  • the semiconductor ceramic as one embodiment of the present invention has a perovskite structure whose main component is represented by the general formula (A).
  • M1 represents an alkali metal element typified by Li, Na, and K.
  • Ln represents a rare earth element serving as a semiconducting agent.
  • the rare earth element Ln is not particularly limited as long as it exhibits an action as a semiconducting agent, but at least one selected from the group of Y, Sm, Nd, Dy, and Gd is preferred. Can be used.
  • the molar ratio x of Ca in the A site and the molar ratio y of Sr satisfy Expressions (1), (2), and (3).
  • composition range of the present embodiment is defined by the hatched portion in FIG.
  • the ratio of the c-axis to the a-axis of the crystal axis is increased and the tetragonality of the crystal is improved.
  • a part of Ba is added to Ca, and further with Sr.
  • Sr substitution, it is considered that the crystallinity is enhanced and the volatilization of Bi is suppressed, and as a result, the elution of unstable Na to the crystal grain boundary is suppressed.
  • the crystallinity is increased by adding Sr in addition to Ca, the ionic conduction of alkali metal ions to the negative electrode side is suppressed, so that surface discoloration does not occur even when energized for a long time, and the resistance value is increased. It seems that the fluctuation can be avoided.
  • the molar ratio x of Ca in the A site is less than 0.05, since the Ca content is too small, the crystallinity cannot be sufficiently improved even if Sr is contained. There is a possibility that the surface discoloration occurs after time energization and the resistance value is greatly reduced.
  • the solid solution limit is exceeded, so that a heterogeneous phase precipitates at the crystal grain boundary, and the resistance value may be greatly lowered after a long period of current application.
  • the crystallinity that can suppress the volatilization of Bi cannot be increased as in the case of containing only Ca, and it is difficult to energize for a long time. Reliability cannot be improved.
  • the molar ratio x of Ca in the A site and the molar ratio y of Sr are 0.05 ⁇ x ⁇ 0.20 and 0.02 ⁇ y.
  • the component composition is blended so as to satisfy ⁇ 0.12, 2x + 5y ⁇ 0.7.
  • the molar ratio x of Ca is preferably 0.125 ⁇ x ⁇ 0.175.
  • the molar ratio m between the A site (Ba site) and the B site (Ti site) is not particularly limited, but good PTC characteristics are obtained when the molar ratio m is in the range of 0.992 to 1.004. be able to.
  • the total molar ratio (u + v) of the alkali metal elements M1 and Bi in the A site is preferably 0.02 to 0.20. That is, the Curie point Tc is raised by substituting a part of Ba with Na and Bi. However, when the total molar ratio (u + v) is less than 0.02, the Curie point Tc cannot be sufficiently raised. . On the other hand, since the alkali metal elements M1 and Bi are easily volatilized as described above, when the total molar ratio (u + v) exceeds 0.20, composition deviation from the theoretical composition of the sintered body is likely to occur.
  • the molar ratio w of the rare earth element Ln in the A site is preferably 0.0005 to 0.015. That is, the rare earth element Ln is added as a semiconducting agent, but if the molar ratio w is less than 0.0005 or exceeds 0.015, it is difficult to make it a semiconductor.
  • 0.0001 to 0.0020 mol part of Mn is preferably added to 1 mol part of the main component represented by the general formula (A).
  • the semiconductor ceramic is represented by the general formula (B).
  • n 0.0001 ⁇ n ⁇ 0.0020.
  • Mn has an action as an acceptor
  • an acceptor level can be formed at the crystal grain boundary, thereby increasing the number of PTC digits and further improving the PTC characteristics. It becomes possible to improve.
  • the addition form of Mn is not particularly limited, and any manganese compound such as manganese oxide sol or powder, or aqueous manganese nitrate solution can be used.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of the PTC thermistor.
  • the PTC thermistor includes a component body 1 made of the semiconductor ceramic and a pair of external electrodes 2a and 2b formed on both ends (surfaces) of the component body 1.
  • the external electrodes 2a and 2b are formed in a single layer structure or a multilayer structure made of a conductive material such as Cu, Ni, Al, Cr, Ni—Cr alloy, Ni—Cu or the like.
  • the appearance is formed in a columnar shape, but it may be a disk shape or a rectangular parallelepiped shape.
  • a Ba compound, a Ca compound, an M1 compound containing an alkali metal element M1, a Bi compound, and an Ln compound containing a predetermined rare earth element Ln are prepared as raw materials. Then, these raw materials are weighed and mixed to obtain a mixed powder so that the component composition of the semiconductor ceramic becomes a predetermined ratio.
  • an organic solvent and a polymer dispersant are added to the mixed powder, and the mixture is thoroughly mixed and pulverized in a ball mill with a pulverization medium such as PSZ (partially stabilized zirconia) balls, and the solvent is dried. Then, sizing using a mesh with a predetermined opening. Subsequently, heat treatment is performed in the range of 800 to 1000 ° C. for 2 hours to obtain a calcined powder. To this calcined powder, a vinyl acetate-based organic binder, pure water, and an Mn compound as necessary are added, and the mixture is thoroughly mixed and pulverized with a pulverizing medium again, and the resulting slurry is dried to obtain a raw material powder. . Next, the raw material powder is sized using a mesh with a predetermined opening, and then pressure-molded using a press such as a uniaxial press to obtain a molded body.
  • a pulverization medium such as PSZ (partially stabilized zi
  • the molded body is subjected to a binder removal treatment at 500 to 600 ° C. in an air atmosphere, a nitrogen atmosphere, or a mixed air flow thereof, and then a temperature at which a semiconductor is formed in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of about 100 to 10,000 volume ppm, for example Then, firing is performed at a maximum firing temperature of 1250 to 1450 ° C. for a predetermined time to obtain a component body 1 that is a sintered body.
  • the external electrodes 2a and 2b are formed on both end portions of the component body 1 by plating, sputtering, paste baking, or the like, whereby a PTC thermistor can be manufactured.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • Ba m TiO 3 is the main component, and a part of Ba only needs to be replaced with a required amount of alkali metal elements, Bi, Ca, Sr, and rare earth elements, and inevitable impurities are mixed.
  • the PSZ balls used for the grinding media during wet mixing and grinding may be mixed by about 0.2 to 0.3% by weight as a whole, but this does not affect the characteristics.
  • trace amounts of Fe, Si, and Cu of about 10 ppm by weight may be mixed in, but this does not affect the characteristics.
  • the semiconductor ceramic of the present invention is lead-free, but as described in the section of [Means for Solving the Problems], it should be substantially free of Pb and does not affect the characteristics. However, it does not exclude even Pb that is inevitably mixed in the range of 10 ppm by weight or less.
  • ethanol organic solvent
  • a polymeric dispersant a polymeric dispersant
  • the mixture is pulverized with PSZ balls in a ball mill for 24 hours by wet mixing, and then the ethanol is dried, with a mesh having an opening of 300 ⁇ m. Sized.
  • heat treatment was performed for 2 hours in a temperature range of 800 to 1000 ° C. to obtain a calcined powder.
  • a vinyl acetate organic binder and an aqueous manganese nitrate solution were added to the calcined powder, and again mixed and pulverized with a PSZ ball by a ball mill for 16 hours to prepare a slurry.
  • the manganese nitrate aqueous solution was adjusted to 0.00025 mol part in terms of Mn with respect to 1 mol part of the main component.
  • this slurry was dried and then sized using a mesh having an opening of 300 ⁇ m to obtain a raw material powder.
  • this raw material powder was pressed and molded by a uniaxial press at a pressure of 9.8 ⁇ 10 7 Pa (1000 kgf / cm 2 ) to obtain a disk-shaped molded body having a diameter of 14 mm and a thickness of 2.5 mm.
  • the disk-shaped molded body was treated to remove the binder for 2 hours at a temperature of 600 ° C. in the atmosphere, and then fired for 2 hours at a maximum firing temperature of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 10,000 ppm by volume.
  • a bonded body (semiconductor ceramic) was obtained.
  • this sintered body was lapped and then dry-plated to form an external electrode having a three-layer structure of NiCr / NiCu / Ag, thereby preparing samples Nos. 1 to 47.
  • the electrical resistivity ⁇ 0 at the temperature of 25 ° C. (room temperature), the PTC digit number ⁇ R, and the Curie point Tc were obtained for the samples of sample numbers 1 to 47.
  • the electrical resistivity ⁇ 0 was measured by a DC four-terminal method by applying a voltage of 1 V at a temperature of 25 ° C.
  • the PTC digit number ⁇ R is an index indicating the capability of the PTC thermistor and is defined by the logarithm of the ratio between the maximum value ⁇ max and the minimum value ⁇ min of the electrical resistivity, as shown in Equation (4).
  • ⁇ -T characteristics log ( ⁇ max / ⁇ min) (4) Therefore, the characteristics of temperature T and electrical resistivity ⁇ (hereinafter referred to as “ ⁇ -T characteristics”) were measured, and the number of PTC digits was obtained from the maximum value and the minimum value.
  • the Curie point Tc was a temperature at which the electrical resistivity ⁇ 0 at a temperature of 25 ° C. was doubled, and the Curie point Tc was obtained from the ⁇ -T characteristic.
  • Tables 1 and 2 show the component compositions and measurement results of the samples Nos. 1 to 47, respectively.
  • the Curie point was judged as a non-defective product when the temperature was 120 ° C. or higher and the resistance change rate ⁇ / ⁇ 0 was 30% or less.
  • FIG. 3 is a photomicrograph thereof.
  • FIG. 4 shows the SEM image
  • Samples Nos. 2 and 3 contain Sr within the scope of the present invention, but Ca is not contained at all, so that the crystallinity cannot be sufficiently increased.
  • the resistance change rate ⁇ / ⁇ 0 increased to 130% or more. Further, slight discoloration was confirmed in Samples 2 and 3.
  • Sample Nos. 10, 16, 35, and 43 are within the scope of the present invention with Ca and Sr alone, but since 2x + 5y exceeds 0.80 and 0.7, the Curie point Tc is less than 120 ° C. .
  • sample numbers 5 to 9, 12 to 15, 17 to 19, 21 to 34, 36 to 38, 40 to 42, and 47 have a molar ratio x of Ca and a molar ratio y of Sr within the scope of the present invention. Therefore, it was found that the Curie point Tc is 120 ° C. or higher and the resistance change rate ⁇ / ⁇ 0 can be suppressed to 30% or lower. In particular, it was found that the resistance change rate ⁇ / ⁇ 0 can be suppressed to 10% or less when the molar ratio x of Ca is in the range of 0.125 to 0.175.
  • FIG. 5 is a diagram in which the measurement points of sample numbers 1 to 46 are plotted.
  • the horizontal axis indicates the molar ratio x of Ca
  • the vertical axis indicates the molar ratio y of Sr
  • the hatched portion is within the scope of the present invention.

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Abstract

 本発明の半導体セラミックは、一般式ABOで表されるペロブスカイト型構造を有するBaTiO系組成物を主成分とし、Aサイトを構成するBaの一部が、アルカリ金属元素、Bi、Ca、Sr及び希土類元素で置換されると共に、前記Aサイトを構成する元素の総モル数を1モルとしたときの前記Ca及びSrの含有量は、前記Caのモル比をx、前記Srのモル比をyとした場合に、0.05≦x≦0.20、0.02≦y≦0.12、及び2x+5y≦0.7を満足する。PTCサーミスタは、部品素体1が、この半導体セラミックで形成されている。そしてこれによりアルカリ金属元素やBiを含有していても、表面変色が生じず、長時間通電しても抵抗値の経年劣化を抑制できる信頼性の良好な非鉛系の半導体セラミックを得るようにした。

Description

半導体セラミック及び正特性サーミスタ
 本発明は、半導体セラミック及び正特性サーミスタに関し、より詳しくは正の抵抗温度係数(Positive Temperature Coefficient;以下、「PTC特性」という。)を有する半導体セラミック、及びヒータ等に使用される正特性サーミスタ(以下、「PTCサーミスタ」という。)に関する。
 チタン酸バリウム(BaTiO)系の半導体セラミックは、電圧の印加により発熱し、正方晶から立方晶に相転移するキュリー点Tcを超えると抵抗値が急激に増大するPTC特性を有している。
 PTC特性を有する半導体セラミックは、上述したように電圧印加による発熱でキュリー点Tcを超えると抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、温度が低下する。そして、温度が低下して抵抗値が小さくなると再び電流が流れ易くなって温度が上昇する。半導体セラミックは、上述の過程を繰り返すことによって一定の温度又は電流に収束することから、ヒータ用サーミスタ又はモータ起動用サーミスタとして広く使用されている。
 ところで、例えばヒータ用途に用いられるPTCサーミスタは、高温で使用されることから、キュリー点Tcの高いことが要求される。このため、従来では、BaTiOにおけるBaの一部をPbで置換することにより、キュリー点Tcを高くすることが行われていた。
 しかしながら、Pbは環境負荷物質であることから、環境面を考慮すると実質的にPbを含まない非鉛系の半導体セラミックの開発が要請されている。
 そこで、例えば、特許文献1には、BaTiOのBaの一部をBi-Naで置換したBa1-2X(BiNa)TiO(ただし、0<x≦0.15)なる構造において、Nb、Ta、又は希土類元素のいずれか一種又は一種以上を加えて窒素中で焼結した後、酸化性雰囲気で熱処理したBaTiO系半導体セラミックの製造方法が提案されている。
 この特許文献1では、非鉛系でありながら、キュリー点Tcが140~255℃と高く、抵抗温度係数が16~20%/℃のBaTiO系半導体セラミックを得ている。
 また、特許文献2には、組成式を、[(Al0.5A20.5)x(Ba1-y)1-x]TiO (但し、A1はNa、K、Liの一種又は二種以上、A2はBi、QはLa、Dy、Eu、Gdの一種又は二種以上)と表し、前記x、yが、0<x≦0.2、0.002≦y≦0.01を満足する半導体磁器組成物が提案されている。
 この特許文献2でも、非鉛系の半導体セラミックでありながら、キュリー点Tcが130℃以上の組成物を得ている。
特開昭56-169301号公報 特開2005-255493号公報
 しかしながら、特許文献1や特許文献2のようにアルカリ金属元素やBiを含有したPTCサーミスタでは、長時間通電すると抵抗値が大幅に変動して劣化したり、サーミスタ表面、特に外部電極の負極側が変色するという問題があった。
 すなわち、特許文献1や特許文献2の半導体セラミックでは、Baの一部をアルカリ金属元素及びBiで置換し、キュリー点Tcを上昇させているが、斯かるアルカリ金属元素及びBiは揮発性を有する。特に、Biは揮発性が高く、焼成中にアルカリ金属元素に優先して揮発すると考えられる。そしてその結果、不安定なNaが溶出し、抵抗値の経時劣化を招いたり、外部電極の負極側にイオン伝導して変色が生じるものと思われる。
 このようにアルカリ金属元素やBiを含有した従来のPTCサーミスタでは、長時間の通電に対し、抵抗値の経時劣化が生じたり表面変色が生じ、PTCサーミスタとしての信頼性は十分ではなかった。
 本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、アルカリ金属元素やBiを含有していても、表面変色が生じず、長時間通電しても抵抗値の経時劣化を抑制できる信頼性の良好な非鉛系の半導体セラミック、及びこれを使用したPTCサーミスタを提供することを目的とする。
 本発明者らは、ペロブスカイト型構造(一般式ABO)を有する{Ba,(M1,Bi),Ca,Ln)}TiO系材料(M1はアルカリ金属元素、Lnは希土類元素を示す。)について鋭意研究したところ、Baの一部をCaに加えSrでも置換し、かつCa及びSrのモル比を所定範囲に規定することにより、長時間通電しても、表面変色が生じず抵抗値の劣化を抑制することが可能であるという知見を得た。
 本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る半導体セラミックは、実質的に鉛を含まない非鉛系の半導体セラミックであって、一般式ABOで表されるペロブスカイト型構造を有するBaTiO系組成物を主成分とし、Aサイトを構成するBaの一部が、アルカリ金属元素、Bi、Ca、Sr及び希土類元素で置換されると共に、前記Aサイトを構成する元素の総モル数を1モルとしたときのCa及びSrの含有量は、モル比をx、yとした場合に、0.05≦x≦0.20、0.02≦y≦0.12、及び2x+5y≦0.7を満足することを特徴としている。
 尚、上述で「鉛を実質的に含まない」とは、Pbを意図的に添加しないことをいい、このようにPbを意図的に添加しない組成系を、本発明では非鉛系という。
 また、前記Caの含有量は、前記モル比xが、0.125≦x≦0.175であることを特徴としている。
 また、本発明の半導体セラミックは、前記アルカリ金属元素が、Na、及びKのうちの少なくとも1種であることを特徴としている。
 また、本発明に係るPTCサーミスタは、部品素体の表面に一対の外部電極が形成されたPTCサーミスタにおいて、前記部品素体が、上記半導体セラミックで形成されていることを特徴としている。
 本発明の半導体セラミックによれば、一般式ABOで表されるペロブスカイト型構造を有するBaTiO系組成物を主成分とし、Aサイトを構成するBaの一部が、アルカリ金属元素、Bi、Ca、Sr及び希土類元素で置換されると共に、前記Aサイト中のCa及びSrの含有量は、モル比をx、yとした場合に、0.05≦x≦0.20、0.02≦y≦0.12、及び2x+5y≦0.7を満足するので、長時間通電しても表面変色が生じず、抵抗値の変化が抑制された信頼性の優れた半導体セラミックを得ることができる。
 また、本発明のPTCサーミスタによれば、部品素体の表面に一対の外部電極が形成されたPTCサーミスタにおいて、前記部品素体が、上述した半導体セラミックで形成されているので、所望のPTC特性を確保しつつ、良好な信頼性を有するPTCサーミスタを得ることができる。
 具体的には、非鉛系でありながら、キュリー点が120℃以上であって、部品素体の表面が200℃となるような電圧を1000時間連続印加しても、表面変色が生じず抵抗変化率が30%以下に抑制できる信頼性の良好なPTCサーミスタを得ることができる。
Caのモル比xとSrのモル比yの本発明の組成範囲を示す図である。 本発明に係るPTCサーミスタの一実施の形態を示す斜視図である。 試料番号1の顕微鏡写真である。 試料番号1のSEM像である。 本発明の組成範囲と共に、試料番号1~46の測定点をプロットした図である。
 次に、本発明の実施の形態を詳説する。
 本発明の一実施の形態としての半導体セラミックは、主成分が一般式(A)で表されるペロブスカイト型構造を有している。
 {Ba1-x-y-u-v-wM1BiCaSrLn}TiO…(A)
 ここで、M1は、Li、Na、Kに代表されるアルカリ金属元素を示している。また、Lnは半導体化剤となる希土類元素を示している。この希土類元素Lnとしては、半導体化剤としての作用を奏するものであれば、特に限定されるものではないが、Y、Sm、Nd、Dy、及びGdの群から選択された1種以上を好んで使用することができる。
 ここで、Aサイト中のCaのモル比x及びSrのモル比yは、数式(1)、(2)、(3)を満足している。
 0.05≦x≦0.02…(1)
 0.02≦y≦0.12…(2)
 2x+5y≦0.7 …(3)
 すなわち、本実施の形態の組成範囲は、図1の斜線部で規定される。
 このようにBaの一部をCa及びSrの双方で置換し、かつモル比x、yを数式(1)~(3)の範囲に設定することにより、長時間通電に対して良好な信頼性を得ることができる。その理由は以下のように考えられる。
 すなわち、Baの一部をCaで置換することにより、結晶軸のc軸とa軸の比が大きくなって結晶の正方晶性が向上するが、Baの一部をCaに加え、更にSrで置換することにより、結晶性が高まり、Biの揮発が抑制され、その結果、不安定なNaの結晶粒界への溶出が抑制されると考えられる。また、Caに加えSrを含有させることにより、結晶性が高まることから、アルカリ金属イオンの負極側へのイオン伝導が抑制され、これにより長時間通電しても表面変色が生じず、抵抗値が変動するのを回避することができるものと思われる。
 ただし、Aサイト中のCaのモル比xが0.05未満の場合は、Caの含有量が過少であるため、Srを含有させても十分に結晶性を高めることができず、このため長時間通電後には表面変色が生じ、抵抗値が大幅に低下するおそれがある。
 一方、Caのモル比xが0.20を超えると、固溶限界を超えるため、結晶粒界に異相が析出し、長時間通電後に抵抗値が大幅に低下するおそれがあり、好ましくない。
 また、Aサイト中のSrのモル比yが0.02未満の場合は、Caのみを含有させた場合と同様、Biの揮発を抑制できるだけの結晶性を高めることができず、長時間通電に対する信頼性を向上させることができない。
 一方、Srのモル比xが0.12を超えると、キュリー点TcがBaTiOのキュリー点(120℃)以下に低下するため、好ましくない。
 また、Ca及びSrはキュリー点を低下させる作用を有することから、2x+5yが0.7を超えた場合も、キュリー点TcがBaTiOのキュリー点以下に低下するため、好ましくない。
 そこで、本実施の形態では、図1の斜線部で示すように、Aサイト中のCaのモル比x、Srのモル比yが、0.05≦x≦0.20、0.02≦y≦0.12、2x+5y≦0.7を満足するように成分組成を配合している。また、信頼性をより一層向上させる観点からは、Caのモル比xは0.125≦x≦0.175が好ましい。
 尚、Aサイト(Baサイト)とBサイト(Tiサイト)のモル比mは、特に限定されるものではないが、モル比mは0.992~1.004の範囲で良好なPTC特性を得ることができる。
 また、Aサイト中のアルカリ金属元素M1とBiの合計モル比(u+v)は、0.02~0.20が好ましい。すなわち、Baの一部をNa及びBiで置換することによりキュリー点Tcを上昇させているが、合計モル比(u+v)が0.02未満になると、キュリー点Tcを十分に上昇させることができない。一方、上述したようにアルカリ金属元素M1及びBiは揮発し易いため、合計モル比(u+v)が0.20を超えると、焼結体の理論組成からの組成ずれが生じ易くなる。
 また、Aサイト中の希土類元素Lnのモル比wは0.0005~0.015が好ましい。すなわち、希土類元素Lnは半導体化剤として添加されるが、モル比wが0.0005未満、又は0.015を超えると半導体化させるのが困難になるからである。
 また、本発明は、PTC特性の向上の観点から、上記一般式(A)で表される主成分1モル部に対し、0.0001~0.0020モル部のMnを添加するのも好ましい。
 この場合、半導体セラミックは、一般式(B)で表される。
 (Ba1-x-y-u-v-wM1BiCaSrLnTiO+nMn…(B)
 ただし、nは、0.0001≦n≦0.0020である。
 Mnは、アクセプタとしての作用を有することから、上述した範囲でMnを添加することにより、結晶粒界でアクセプタ準位を形成し、これによりPTC桁数を高めることができ、PTC特性をより一層向上させることが可能となる。尚、Mnの添加形態としては、特に限定されるものではなく、酸化マンガンのゾルや粉末、或いは硝酸マンガン水溶液等、任意のマンガン化合物を使用することができる。
 次に、本発明に係るPTCサーミスタについて詳述する。
 図1は上記PTCサーミスタの一実施の形態を模式的にした斜視図である。
 すなわち、このPTCサーミスタは、上記半導体セラミックで形成された部品素体1と、該部品素体1の両端部(表面)に形成された一対の外部電極2a、2bとを備えている。尚、外部電極2a、2bは、Cu、Ni、Al、Cr、Ni-Cr合金、Ni-Cu等の導電性材料からなる一層構造又は多層構造で形成されている。
 尚、この実施の形態では、外観が円柱状に形成されているが、円板状や直方体形状等であってもよい。
 次に、上記PTCサーミスタの製造方法を述べる。
 まず、素原料としてBa化合物、Ca化合物、アルカリ金属元素M1を含有したM1化合物、Bi化合物、及び所定の希土類元素Lnを含有したLn化合物を用意する。そして、半導体セラミックの成分組成が所定比率となるように、これら素原料を秤量し、調合して混合粉末を得る。
 次に、この混合粉末に有機系溶剤及び高分子系分散剤を加え、PSZ(部分安定化ジルコニア)ボール等の粉砕媒体と共に、ボールミル内で湿式で十分に混合粉砕し、溶媒を乾燥させ、その後、所定目開きのメッシュを使用して整粒する。続いて、800~1000℃の範囲で2時間熱処理し、仮焼粉を得る。この仮焼粉に、酢酸ビニル系の有機バインダ、純水、及び必要に応じてMn化合物を加え、再び粉砕媒体と共に湿式で十分に混合粉砕し、得られたスラリーを乾燥させ、原料粉末を得る。次いで、所定目開きのメッシュを使用して原料粉末を整粒し、その後一軸プレス等のプレス機を使用して加圧成形し、成形体を得る。
 この成形体を大気雰囲気、窒素雰囲気、或いはこれらの混合気流中、500~600℃で脱バインダ処理を行い、その後、酸素濃度が100~10000体積ppm程度の窒素雰囲気下、半導体化する温度、例えば、最高焼成温度1250~1450℃で所定時間焼成し、焼結体である部品素体1を得る。
 そして、部品素体1の両端部にめっき処理、スパッタ、ペースト焼き付け等により、外部電極2a、2bを形成し、これによりPTCサーミスタを作製することができる。
 尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記半導体セラミックでは、BaTiOを主成分とし、Baの一部が所要量のアルカリ金属元素、Bi、Ca、Sr、及び希土類元素で置換されていればよく、不可避不純物が混入しても特性に影響を与えるものではない。例えば、湿式での混合粉砕時に粉砕媒体に使用するPSZボールが、全体で0.2~0.3重量%程度混入するおそれがあるが、特性に影響を与えるものではない、同様に素原料中に10重量ppm程度の微量のFe、Si、Cuが混入するおそれがあるが、特性に影響を与えるものではない。また、本発明の半導体セラミックは、非鉛系であるが、〔課題を解決するための手段〕の項でも述べたように、Pbを実質的に含まなければよく、特性に影響を与えない範囲で不可避的に10重量ppm以下の範囲で混入する程度のPbまでも排除するものではない。
 次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
 主成分の素原料となるBaCO、CaCO、SrCO、NaCO、KCO、Bi、TiO、及びYを用意し、焼結後の組成が表1となるように各素原料を秤量し、調合して混合粉末を得た。
 次に、エタノール(有機系溶剤)と、高分子型の分散剤を混合粉末に加え、PSZボールと共に、ボールミル内で24時間湿式で混合粉砕し、その後エタノールを乾燥させ、目開き300μmのメッシュで整粒した。続いて800~1000℃の温度範囲で2時間熱処理し、仮焼粉を得た。
 次に、この仮焼粉に、酢酸ビニル系の有機バインダー、硝酸マンガン水溶液を加えて、再び、PSZボールと共にボールミルで16時間湿式で混合粉砕し、スラリーを作製した。尚、硝酸マンガン水溶液は主成分1モル部に対しMn換算で0.00025モル部となるように調整した。
 そして、このスラリーを乾燥させた後、目開き300μmのメッシュを用いて整粒し、原料粉末を得た。
 次いで、この原料粉末を一軸プレスで9.8×10Pa(1000kgf/cm)の圧力で加圧して成形し、直径14mm、厚み2.5mmの円板状成形体を得た。
 この円板状成形体を大気中、600℃の温度で2時間脱バインダ処理し、酸素濃度10000体積ppmの窒素雰囲気中、最高焼成温度1400℃で2時間焼成し、試料番号1~47の焼結体(半導体セラミック)を得た。
 次いで、この焼結体をラップ研磨し、次いで、乾式めっきを施し、NiCr/NiCu/Agの三層構造の外部電極を形成し、これにより試料番号1~47の試料を作製した。
 次いで、試料番号1~47の試料について、温度25℃(室温)での電気抵抗率ρ、PTC桁数ΔR及びキュリー点Tcを求めた。
 ここで、電気抵抗率ρは、温度25℃で1Vの電圧を印加し、直流四端子法により測定した。
 PTC桁数ΔRは、PTCサーミスタの能力を示す指標であり、数式(4)に示すように、電気抵抗率の極大値ρmaxと極小値ρminの比の対数で定義される。
 ΔR=log(ρmax/ρmin)…(4)
 したがって、温度Tと電気抵抗率ρとの特性(以下、「ρ-T特性」という。)を測定し、その極大値と極小値とからPTC桁数を求めた。
 また、キュリー点Tcは、温度25℃での電気抵抗率ρが2倍になる温度とし、ρ-T特性からキュリー点Tcを求めた。
 また、通電試験を行い、信頼性を評価した。すなわち、各試料の表面温度が200℃となるような直流電圧を印加し、1000時間放置した。そして試験前の抵抗変化率ρと試験後の抵抗変化率ρとを温度25℃で測定し、その差Δρ(=ρ-ρ)を求め、抵抗変化率△ρ/ρを算出した。このようにして通電試験を各試料5個ずつ行い、抵抗変化率△ρ/ρの平均値を算出し、信頼性を評価した。
 表1及び表2は、試料番号1~47の各試料の成分組成と測定結果を示している。
 尚、キュリー点は120℃以上、抵抗変化率△ρ/ρは30%以下を良品と判断した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 試料番号1は、抵抗変化率Δρ/ρは628%と大きくなった。これは組成物中にCa及びSrのいずれも含有されていないため、結晶性に劣り、焼成時にBiの揮発を助長したためと思われる。
 この試料番号1について、断面を研磨し、顕微鏡で観察した。
 図3は、その顕微鏡写真である。
 この図3から明らかなように負極部に変色が観察された。
 そして、この変色部分が高抵抗化していると考えられることから、低加速電圧走査型電子顕微鏡(低加速電圧SEM)を使用し、表面観察を行った。
 図4は、そのSEM画像である。
 この図4から明らかなように、変色部に白いコントラストが確認された。SEMは試料からの二次電子を画像化する装置のため、多量の電子が蓄積されている個所では、二次電子の放射量が多くなるため明るく見える。したがって、試料番号1では変色部と非変色部との境界に高抵抗層があり、これを境界にして負電位側に電子が多く存在し、その結果コントラストが現れたと考えられる。
 また、試料番号1で変色が生じたのは、長時間通電により、Naイオンが負極側へ移動し偏析したものと推測される。
 試料番号2、3は、Srは本発明範囲内で含有されているものの、Caが全く含有されていないため、結晶性を十分に高めることができず、試料番号1と同様、Biの揮発を助長し、このため抵抗変化率Δρ/ρが130%以上に増大した。また、この試料2、3でも僅かに変色が確認された。
 以上より表面変色と信頼性低下とは密接な関係があるものと推察される。
 試料番号4、11、20、39は、Caは本発明範囲内で含有されているものの、Srが全く含有されていないため、結晶性を十分に高めることができず、試料番号1と同様、Biの揮発を助長し、このため抵抗変化率Δρ/ρが30%以上となった。
 試料番号44~46は、Caのモル比xが0.25と過剰であるため、Caが固溶限界を超えて結晶粒界に析出し、抵抗変化率Δρ/ρが30%以上と大きくなった。
 試料番号10、16、35、及び43は、Ca及びSr単独では本発明範囲内であるが、2x+5yが0.80と0.7を超えているため、キュリー点Tcが120℃未満となった。
 これに対し試料番号5~9、12~15、17~19、21~34、36~38、40~42、及び47は、Caのモル比x及びSrのモル比yが本発明の範囲内であるので、キュリー点Tcは120℃以上であり、かつ抵抗変化率Δρ/ρを30%以下に抑制できることが分かった。特に、Caのモル比xが0.125~0.175の範囲では、抵抗変化率Δρ/ρを10%以下に抑制できることが分かった。
 図5は、試料番号1~46の測定点をプロットした図である。横軸がCaのモル比x、縦軸がSrのモル比yを示しており、斜線部が本発明範囲内である。
 上述したように斜線部内でキュリー点Tcが120℃以上、抵抗変化率Δρ/ρが30%以下の良品が得られることが確認された。
 1部品素体
 2a、2b 外部電極

Claims (4)

  1.  実質的に鉛を含まない非鉛系の半導体セラミックであって、
     一般式ABOで表されるペロブスカイト型構造を有するBaTiO系組成物を主成分とし、
     Aサイトを構成するBaの一部が、アルカリ金属元素、Bi、Ca、Sr及び希土類元素で置換されると共に、
     前記Aサイトを構成する元素の総モル数を1モルとしたときの前記Ca及びSrの含有量は、前記Caのモル比をx、前記Srのモル比をyとした場合に、0.05≦x≦0.20、0.02≦y≦0.12、及び2x+5y≦0.7を満足することを特徴とする半導体セラミック。
  2.  前記Caの含有量は、前記モル比xが、0.125≦x≦0.175であることを特徴とする請求項1記載の半導体セラミック。
  3.  前記アルカリ金属元素は、Na及びKのうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体セラミック。
  4.  部品素体の両端部に外部電極が形成された正特性サーミスタにおいて、
     前記部品素体が、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体セラミックで形成されていることを特徴とする正特性サーミスタ。
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