WO2023120173A1 - 積層セラミック電子部品 - Google Patents

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WO2023120173A1
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internal electrode
dielectric layer
multilayer ceramic
electronic component
layer
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PCT/JP2022/044992
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English (en)
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Inventor
信儀 藤川
Original Assignee
京セラ株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/30Stacked capacitors

Definitions

  • the present disclosure relates to multilayer ceramic electronic components.
  • Patent Document 1 A conventional laminated ceramic electronic component is described, for example, in Patent Document 1.
  • a laminated ceramic electronic component of the present disclosure includes a laminate in which dielectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and the amount of oxygen vacancies in the dielectric layers is 1.1 ⁇ 10 14 /mm. 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 pieces/mm 3 or less.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer ceramic electronic component according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting plane line II-II in FIG. 1
  • 1 is a perspective view showing a laminate of a laminated ceramic electronic component according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an increase in leakage current in a multilayer ceramic electronic component according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram illustrating generation of a counter electric field in the multilayer ceramic electronic component of one embodiment of the present disclosure
  • a multilayer ceramic capacitor which is an example of a multilayer ceramic electronic component, is required to be small and large in capacity.
  • Multilayer ceramic capacitors can be made smaller and have higher capacity by making the dielectric layers thinner. ) is likely to occur, and the reliability of the multilayer ceramic capacitor may deteriorate.
  • Patent Literature 1 discloses specifying the ratio of the low temperature side peak current value to the high temperature side peak current value of the thermally stimulated depolarization current in order to improve the reliability of the multilayer ceramic capacitor.
  • a laminated ceramic capacitor which is an example of a laminated ceramic electronic component
  • a multilayer substrate or the like may be used.
  • the drawings referred to below are schematic, and the dimensional ratios and the like shown in the drawings are not necessarily illustrated accurately.
  • a rectangular coordinate system XYZ may be defined for convenience.
  • the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are also referred to as the first direction, the second direction, and the third direction, respectively.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer ceramic electronic component according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view cut along the section line II-II in FIG. 1
  • FIG. 1 is a perspective view showing a laminate of a laminated ceramic electronic component according to one embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an increase in leakage current in a multilayer ceramic electronic component according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 5 illustrates generation of a reverse electric field in the multilayer ceramic electronic component according to an embodiment of the present disclosure. It is a diagram.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 of this embodiment includes a laminate 2 as shown in FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the laminate 2 is constructed by alternately laminating dielectric layers 3 and internal electrode layers 4 in the third direction.
  • the laminate 2 has a substantially rectangular parallelepiped shape, as shown in FIG.
  • the laminate 2 has a first surface 7A and a second surface 7B facing each other in the third direction.
  • the laminate 2 has a first end face 8A and a second end face 8B facing each other in the first direction, and a first side face 9A and a second side face 9B facing each other in the second direction.
  • the first surface 7A and the second surface 7B may be collectively referred to as the main surface 7, the first end surface 8A and the second end surface 8B may be collectively described as the end surface 8, and the first side surface 9A and the second surface 9B may be collectively described as the main surface 7.
  • the side surface 9B may be collectively referred to as the side surface 9 in some cases.
  • the dielectric layer 3 is made of a ceramic material.
  • the ceramic material used for the dielectric layer 3 may be, for example, BaTiO 3 (barium titanate), CaTiO 3 (calcium titanate), SrTiO 3 (strontium titanate), BaZrO 3 (barium zirconate), or the like.
  • the thickness of the dielectric layer 3 may be, for example, approximately 0.5 ⁇ m to 5.0 ⁇ m.
  • the internal electrode layer 4 is made of a conductive material.
  • Conductive materials used for the internal electrode layers 4 are metal materials such as Ni (nickel), Cu (copper), Ag (silver), Sn (tin), Pt (platinum), Pd (palladium), and Au (gold). Alternatively, it may be an alloy material containing these metal materials.
  • the internal electrode layers 4 are exposed on the first side surface 9A and the second side surface 9B, as shown in FIG. Further, the internal electrode layers 4 are exposed on the first end surface 8A or the second end surface 8B depending on the polarity.
  • the thickness of the internal electrode layer 4 may be, for example, about 0.4 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the amount of oxygen vacancies (hereinafter also referred to as oxygen vacancy concentration or oxygen vacancy density) in the dielectric layer 3 can be adjusted to 1. 1 ⁇ 10 14 pieces/mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 pieces/mm 3 or less. It can also be said that the dielectric layer 3 is made into a semiconductor. When subjected to a high temperature load, oxygen vacancies in the dielectric layer 3 move toward the cathode internal electrode layer 4 of the pair of internal electrode layers 4 sandwiching the dielectric layer 3 . As a result, the energy barrier formed at the interface 11 between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4 changes due to band bending caused by oxygen vacancies accumulated near the interface 11 .
  • the probability of electrons in the metal forming the internal electrode layer 4 transitioning to the conduction band of the dielectric layer 3 increases, resulting in an increase in leakage current.
  • the heat conduction of the dielectric layer 3 includes heat conduction due to movement of carriers (leakage current) and heat conduction due to lattice vibration, the movement of carriers (leakage current) in the dielectric layer 3 increases.
  • the thermal conductivity (that is, heat dissipation) of the dielectric layer 3 is improved. Therefore, even if the temperature rises in a portion of the dielectric layer 3, the generated heat can be dissipated to the surroundings, so short circuits due to thermal runaway can be suppressed.
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 is 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or less, so that a decrease in insulation resistance is recognized. However, short circuits due to thermal runaway can be suppressed.
  • the amount of heat generated increases as the conductivity of the dielectric layer 3 increases, the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 increases from 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 to 6.1 ⁇ 10 14 .
  • the amount of heat release can be made larger than the amount of heat generated. Therefore, the multilayer ceramic capacitor 1 can suppress a short circuit due to thermal runaway, although a decrease in insulation resistance is recognized.
  • the electric field formed in the dielectric layer 3 is weakened by the charge of the oxygen vacancies 10 accumulated near the interface 11 between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4 of the cathode.
  • an electric field hereinafter also referred to as a counter electric field
  • q is generated in the direction opposite to the electric field E0 formed by the potential difference applied to the pair of internal electrode layers 4 sandwiching the dielectric layer 3. It is formed.
  • the amount of heat generated per unit time (Joule heat) Q in the dielectric layer 3 is given by ⁇ E 2, where E is the magnitude of the electric field in the dielectric layer 3 and ⁇ is the electrical conductivity of the dielectric layer 3 .
  • the calorific value Q of the dielectric layer 3 decreases.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 can reduce the amount of heat generated Q of the dielectric layers 3 by the action of the anti-electric field q, thereby suppressing a short circuit due to thermal runaway. Note that the contribution of the electrical conductivity ⁇ to the calorific value Q is smaller than the contribution of the electric field E to the calorific value Q, so the calorific value Q substantially depends only on the magnitude of the electric field E.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 As shown in FIG. 2, even if an oxide phase 12 formed by oxidizing the surface portion of the internal electrode layer 4 exists at the interface 11 between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4, good. In this case, a decrease in adhesion between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4 can be suppressed, so damage in a thermal shock test and a decrease in insulation resistance in a wet load test can be suppressed. As a result, the reliability of the multilayer ceramic capacitor 1 can be improved.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 may have an oxide phase 13 formed by partially oxidizing the internal electrode layers 4 and penetrating the internal electrode layers 4 in the thickness direction. In this case, a chemical bond is generated between the oxide phase 13 penetrating the internal electrode layer 4 and the pair of dielectric layers 3 sandwiching the internal electrode layer 4. Bonding strength can be increased. As a result, it is possible to effectively suppress the deterioration of the adhesion between the dielectric layers 3 and the internal electrode layers 4, so that the breakage in the thermal shock test and the deterioration in the insulation resistance in the wet load test can be effectively suppressed. can. As a result, the reliability of the multilayer ceramic capacitor 1 can be further improved.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 may have a protective layer 5 as shown in FIG.
  • the protective layer 5 may be located on the first side surface 9A and cover the internal electrode layers 4 exposed on the first side surface 9A.
  • the protective layer 5 may be located on the second side surface 9B and cover the internal electrode layers 4 exposed on the second side surface 9B.
  • the protective layer 5 may be composed of a ceramic material such as BaTiO 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , BaZrO 3 or the like.
  • the protective layer 5 may be made of the same ceramic material as the dielectric layer 3. In this case, the laminate 2 and the protective layer 5 can be fired at the same time.
  • the thickness of the protective layer 5 may be, for example, about 25 ⁇ m to 120 ⁇ m.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 may have external electrodes 6 for electrical connection with the outside, as shown in FIG.
  • the external electrodes 6 include first external electrodes 6A and second external electrodes 6B.
  • the first external electrode 6A may be positioned on the first end face 8A and electrically connected to the internal electrode layer 4 exposed on the first end face 8A.
  • the second external electrode 6B may be located on the second end face 8B and electrically connected to the internal electrode layer 4 exposed on the second end face 8B.
  • the external electrodes 6 may wrap around the first surface 7A and the second surface 7B.
  • the first external electrode 6A may wrap around the first side surface 9A and the second side surface 9B to cover a portion of the protective layer 5 near the first end surface 8A.
  • the second external electrode 6B may wrap around the first side surface 9A and the second side surface 9B to cover a portion of the protective layer 5 near the second end surface 8B.
  • the first external electrode 6A and the second external electrode 6B are electrically insulated from each other.
  • the external electrode 6 may be composed of a base layer connected to the laminate 2 and a plated outer layer. When the external electrode 6 has a plated outer layer, it can be easily mounted on an external device using a conductive bonding material such as solder.
  • the base layer may be applied and baked on the laminated body 2 after baking, or may be applied on the laminated body 2 before baking and baked simultaneously with the laminated body 2 .
  • the underlayer may be formed by direct plating.
  • Each of the underlying layer and the plating outer layer may consist of a single layer or may consist of multiple layers.
  • the underlying layer and the plating outer layer may be composed of, for example, metal materials such as Ni, Cu, Ag, Pd, and Au, or alloy materials containing these metal materials.
  • the multilayer ceramic capacitor 1 can be manufactured, for example, by the method described below.
  • a ceramic powder containing BaTiO 3 as a main component is prepared as a material for the dielectric layer 3, and an organic vehicle is added to the prepared ceramic powder to prepare a ceramic slurry.
  • the term "main component" refers to the component with the highest content concentration (mol%) in the material, member, etc. of interest.
  • the organic vehicle is obtained by dissolving a binder in an organic solvent.
  • the binder may be, for example, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, and the like.
  • Organic solvents may be, for example, terpineol, butyl carbitol, acetone, toluene, and the like.
  • a sheet forming method such as a doctor blade method, a die coater method, or the like can be used to prepare the ceramic green sheet.
  • a conductive paste is prepared using metal powder containing Ni as a main component. Subsequently, using the prepared conductive paste, a pattern sheet having an electrode pattern to be the internal electrode layer 4 printed on the main surface of the ceramic green sheet is produced. A printing method such as a screen printing method or a gravure printing method can be used for printing the electrode pattern.
  • a predetermined number of pattern sheets are laminated to prepare a precursor of the laminate 2 (hereinafter also referred to as a laminate precursor).
  • the laminate precursor is pressed in the lamination direction to adhere the pattern sheets to each other. Pressing of the precursor can be performed using, for example, an isostatic press.
  • the protective layer 5 can be formed by attaching a ceramic green sheet to be the protective layer 5 to the side surface 9 of the laminate precursor, or by applying a ceramic slurry to be the protective layer 5 and drying it.
  • the laminate precursor is subjected to a degreasing treatment in an air atmosphere, an inert gas atmosphere, or a reducing atmosphere, and then the degreased laminate precursor is fired in a reducing atmosphere (hereinafter also referred to as atmosphere firing).
  • atmosphere firing a reducing atmosphere
  • the firing temperature of atmosphere firing may be, for example, about 1100.degree. C. to 1300.degree.
  • the laminate 2 is produced by oxidizing the laminate precursor in a nitrogen atmosphere. Oxygen vacancies exceeding 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 remain in the dielectric layer 3 of the laminate precursor before the oxidation treatment. In order to impart insulating properties to the dielectric layer 3, the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 is reduced.
  • the oxygen atmosphere during the oxidation treatment is adjusted to lower the oxygen concentration. 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or less oxygen vacancies 10 are left in the body layer 3 .
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layers 3 is reduced, and at least the surface portions of the internal electrode layers 4 are oxidized.
  • the oxidation of the internal electrode layers 4 is controlled by the equilibrium oxygen partial pressure pO2 produced by the chemical equilibrium of the gas atmosphere.
  • the equilibrium oxygen partial pressure pO2 of the gas atmosphere is determined by the partial pressures (concentrations) of H2 and H2O in the gas. The higher the ratio H2 / H2O of H2 and H2O , the lower the equilibrium oxygen partial pressure pO2 .
  • the temperature of the oxidation treatment is about 800° C. to 1000° C.
  • the equilibrium oxygen partial pressure pO 2 is about 10 ⁇ 8 atm to 10 ⁇ 12 atm. is 1.1 ⁇ 10 14 pieces/mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 pieces/mm 3 or less, and at least the surface portions of the internal electrode layers 4 are oxidized.
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 can be reduced by performing oxidation treatment in an atmosphere of high oxygen partial pressure.
  • the heat dissipation effect due to the increase in thermal conductivity cannot be expected, and the heat generation reduction effect due to the generation of the anti-electric field is weak, resulting in thermal runaway.
  • a short circuit is likely to occur due to
  • by lowering the temperature of the oxidation treatment it is possible to suppress the decrease in the amount of oxygen vacancies during the oxidation treatment. and the adhesion between the internal electrode layers 4 tends to decrease.
  • the laminated ceramic capacitor 1 shown in FIG. 1 can be manufactured.
  • Multilayer ceramic capacitors of Examples were produced.
  • BaTiO 3 was used as the material for the dielectric layer 3 and the protective layer 5
  • Ni was used as the material for the internal electrode layer 4 and the external electrode 6 .
  • the thickness of the dielectric layer 3 was set to 0.95 ⁇ m
  • the thickness of the internal electrode layer 4 was set to 0.55 ⁇ m
  • the number of laminated pattern sheets was set to 460.
  • the laminate 2 had a dimension in the first direction of 1680 ⁇ m, a dimension in the second direction of 825 ⁇ m, and a dimension in the third direction of 830 ⁇ m.
  • the protective layer 5 has a thickness of 70 ⁇ m.
  • the shape of the external electrode 6 was set as shown in FIG. As shown in Table 1, Samples 4 to 6 differ from each other in oxidation treatment conditions, and as a result, the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 differs from each other.
  • Comparative laminated ceramic capacitors (Samples 1 to 3 and 7 in Table 1) were produced in the same manner as in Examples, except that the oxidation treatment conditions were different from those in Examples.
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 is less than 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more than 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 .
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 can be calculated, for example, by the following method.
  • a multilayer ceramic capacitor (hereinafter also referred to as a sample) is polarized under predetermined polarization conditions.
  • the polarization condition may be, for example, a condition of applying a voltage of 6 V at a temperature of 200° C. for 60 minutes.
  • the polarization conditions may be conditions in which the thermally stimulated depolarization current (TSDC) is temporally saturated, and the polarization conditions, particularly the applied voltage and application time, may differ from sample to sample.
  • TSDC thermally stimulated depolarization current
  • the laminated ceramic capacitor After polarizing the laminated ceramic capacitor, the laminated ceramic capacitor is cooled to room temperature while a voltage of 6 V is applied, and then the internal electrode layers 4 having different polarities are short-circuited for 10 minutes. Subsequently, the temperature of the multilayer ceramic capacitor is raised from room temperature to 340° C. at a rate of 5° C./min. At that time, TSDC is measured using a minute ammeter. The charge amount of the oxygen vacancies is calculated from the area of the TSDC peak corresponding to the movement of the oxygen vacancies and the rate of temperature increase.
  • the amount of oxygen vacancies (number/mm 3 ) is the amount obtained by dividing the charge amount of oxygen vacancies by the product of the valence of oxygen vacancies and the elementary charge, and is obtained from the dimensions of the laminate 2 . can be obtained by dividing by the volume of
  • ⁇ T 280 ° C.
  • the appearance is observed with a stereomicroscope and the presence or absence of cracks is inspected.
  • "7/100" for Sample 2 in Table 1 means that cracks were observed in 7 out of 100 samples as a result of the thermal shock test. The same applies to others.
  • the high temperature load test is a test in which samples 1 to 7 are held in a constant temperature bath, a voltage of 9.5 V is applied at a temperature of 140° C., and leakage current is measured.
  • a sample in which a short circuit occurred during voltage application was regarded as a defective product.
  • "18/100" for sample 2 in Table 1 means that 18 out of 100 samples shorted as a result of the high temperature load test. The same applies to others.
  • sample 7, in which the amount of oxygen vacancies is more than 6.1 ⁇ 10 14 vacancies/mm 3 could not be subjected to an electrical test because of its low insulation resistance.
  • the multilayer ceramic capacitors of Examples did not suffer from short circuits due to thermal runaway in the high-temperature load test, even though cracks occurred in the thermal shock test.
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 is set to 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or less. Thermal runaway can be suppressed, and the occurrence of short circuits can be suppressed.
  • the surface portions of the internal electrode layers 4 are oxidized to ensure adhesion (that is, thermal shock resistance) between the dielectric layers 3 and the internal electrode layers 4 .
  • the monolithic ceramic capacitor of sample 1 had a small amount of oxygen vacancies and a small increase in leakage current over time, but a short circuit occurred in the high temperature load test.
  • Sample 2 has a lower oxidation treatment temperature than sample 1 and has a larger oxygen vacancy than sample 1 .
  • the adhesion between the dielectric layers 3 and the internal electrode layers 4 was low, and as a result, defective products were generated in the thermal shock test.
  • Sample 2 exhibited a larger increase in leakage current over time than sample 1, but was not sufficient to suppress short circuits.
  • sample 3 the equilibrium oxygen partial pressure pO2 in the oxidation treatment was lowered to weaken the oxidizing property of the gas atmosphere, thereby increasing the amount of oxygen vacancies more than samples 1 and 2. Occurred.
  • sample 7 the oxygen partial pressure in the oxidation treatment is lowered more than in samples 4-6, and the oxidizing property of the gas atmosphere is weakened, thereby increasing the oxygen vacancy amount more than in samples 4-6.
  • sample 7 could not be subjected to the electrical current test because the resistance of the dielectric layer 3 was too small.
  • sample 7 was defective due to low adhesion between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4 because the oxidizing property of the gas atmosphere was too weak.
  • the amount of oxygen vacancies in the dielectric layer 3 is set to 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or less. It was found that short circuits can be suppressed. Moreover, in the example, it was found that the adhesion between the dielectric layer 3 and the internal electrode layer 4 was enhanced by oxidizing the surface portion of the internal electrode layer 4 .
  • a laminated body in which dielectric layers and internal electrode layers are alternately laminated A laminated ceramic electronic component, wherein the dielectric layer has an oxygen vacancy amount of 1.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or more and 6.1 ⁇ 10 14 /mm 3 or less.
  • the laminated ceramic electronic component of the present disclosure it is possible to obtain a highly reliable laminated ceramic electronic component that is less susceptible to short circuits due to thermal runaway under high temperature load.
  • Multilayer ceramic electronic components (multilayer ceramic capacitors) 2 laminated body 3 dielectric layer 4 internal electrode layer 5 protective layer 6 external electrode 6A first external electrode 6B second external electrode 7 main surface 7A first surface 7B second surface 8 end surface 8A first end surface 8B second end surface 9 side 9A first side 9B second side 10 oxygen vacancy 11 interface 12, 13 oxide phase

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Abstract

本開示の積層セラミック電子部品は、誘電体層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層体を備え、誘電体層中の酸素空孔量が、1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下である。

Description

積層セラミック電子部品
 本開示は、積層セラミック電子部品に関する。
 従来技術の積層セラミック電子部品は、例えば特許文献1に記載されている。
特開2020-184587号公報
 本開示の積層セラミック電子部品は、誘電体層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層体を備え、前記誘電体層中の酸素空孔量が、1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下である。
 本開示の目的、特色、及び利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品を示す斜視図である。 図1の切断面線II-IIで切断した断面図である。 本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品の積層体を示す斜視図である。 本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品における漏れ電流の増加を説明する図である。 本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品における反電界の生成を説明する図である。
 まず、本開示の積層セラミック電子部品が基礎とする構成の積層セラミック電子部品について説明する。
 近年、電子機器の小型高機能化に伴い、電子機器に搭載される電子部品においても小型高機能化が求められている。積層セラミック電子部品の一例である積層セラミックコンデンサでは、小型大容量化が求められている。
 積層セラミックコンデンサは、誘電体層を薄層化することによって、小型大容量化されるが、誘電体層を薄層化した場合、極性の異なる内部電極層同士の短絡(以下、単に、短絡ともいう)が発生し易くなり、積層セラミックコンデンサの信頼性が低下することがある。特許文献1は、積層セラミックコンデンサの信頼性を改善するために、熱刺激脱分極電流の低温側ピーク電流値と高温側ピーク電流値との比を特定することを開示している。
 従来の積層セラミックコンデンサでは、熱暴走が部分的に進行することで、短絡に至ることがあった。
 図面を参照しつつ、本開示の積層セラミック電子部品の実施形態について説明する。以下では、積層セラミック電子部品の一例である積層セラミックコンデンサについて説明するが、本開示の積層セラミック電子部品は、積層セラミックコンデンサに限られず、積層型圧電素子、積層サーミスタ素子、積層チップコイル、およびセラミック多層基板等であってもよい。以下で参照する図面は、模式的なものであり、図面に示された寸法比率等は、必ずしも正確に図示されたものではない。本明細書において、便宜的に、直交座標系XYZを定義する場合がある。X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向はそれぞれ、第1方向、第2方向および第3方向とも称される。
 図1は、本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品を示す斜視図であり、図2は、図1の切断面線II-IIで切断した断面図であり、図3は、本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品の積層体を示す斜視図である。図4は、本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品における漏れ電流の増加を説明する図であり、図5は、本開示の一実施形態の積層セラミック電子部品における反電界の生成を説明する図である。
 本実施形態の積層セラミックコンデンサ1は、図1に示すように、積層体2を備えている。積層体2は、図2,3に示すように、誘電体層3と内部電極層4とが第3方向に交互に積層されて構成されている。
 積層体2は、図3に示すように、略直方体状の形状を有している。積層体2は、第3方向において互いに対向する第1面7Aおよび第2面7Bを有している。積層体2は、第1方向において互いに対向する第1端面8Aおよび第2端面8B、ならびに第2方向において互いに対向する第1側面9Aおよび第2側面9Bを有している。第1面7Aおよび第2面7Bを纏めて主面7と記載することがあり、第1端面8Aおよび第2端面8Bを纏めて端面8と記載することがあり、第1側面9Aおよび第2側面9Bを纏めて側面9と記載することがある。
 誘電体層3は、セラミック材料で構成されている。誘電体層3に用いられるセラミック材料は、例えばBaTiO(チタン酸バリウム)、CaTiO(チタン酸カルシウム)、SrTiO(チタン酸ストロンチウム)、BaZrO(ジルコン酸バリウム)等であってもよい。
 誘電体層3の厚みが薄いほど、積層セラミックコンデンサ1の静電容量が大きくなる。誘電体層3の厚みは、例えば0.5μm~5.0μm程度であってもよい。
 内部電極層4は、導電材料で構成されている。内部電極層4に用いられる導電材料は、例えばNi(ニッケル)、Cu(銅)、Ag(銀)、Sn(スズ)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Au(金)等の金属材料またはこれらの金属材料を含む合金材料であってもよい。
 内部電極層4は、図3に示すように、第1側面9Aおよび第2側面9Bに露出している。また、内部電極層4は、極性別に第1端面8Aまたは第2端面8Bに露出している。
 コンデンサとしての特性が確保できる限りにおいて、内部電極層4の厚みが薄いほど、内部応力による内部欠陥を抑制し、積層セラミックコンデンサ1の信頼性を向上させることができる。内部電極層4の厚みは、例えば0.4μm~1.0μm程度であってもよい。
 積層セラミックコンデンサ1は、製造工程における焼成温度、焼成雰囲気等を調整することによって、誘電体層3中の酸素空孔量(以下、酸素空孔濃度または酸素空孔密度ともいう)が、1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下とされている。誘電体層3は半導体化されているとも言える。高温負荷の際、誘電体層3中の酸素空孔は、該誘電体層3を挟む一対の内部電極層4のうちの陰極の内部電極層4に向かって移動する。これにより、誘電体層3と内部電極層4との界面11に形成されたエネルギ障壁が、該界面11付近に蓄積した酸素空孔によるバンドベンディングにより変化する。その結果、内部電極層4を構成する金属内の電子が誘電体層3の伝導帯に遷移する遷移確率が増加するため、漏れ電流が増加する。ここで、誘電体層3の熱伝導は、キャリアの移動(漏れ電流)による熱伝導と、格子振動による熱伝導とを含むため、誘電体層3におけるキャリアの移動(漏れ電流)が増加することによって、誘電体層3の熱伝導性(すなわち、熱放散性)が向上する。したがって、誘電体層3の一部分で温度が上昇したとしても、発生した熱を周囲に放散することができるため、熱暴走による短絡を抑制することができる。積層セラミックコンデンサ1は、誘電体層3中の酸素空孔量が1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下であることで、絶縁抵抗の低下は認められるが、熱暴走による短絡を抑制することができる。
 なお、誘電体層3の導電性が増加することで、発熱量も増加するが、誘電体層3中の酸素空孔量を1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下とすることで、放熱量を発熱量よりも大きくすることができる。したがって、積層セラミックコンデンサ1は、絶縁抵抗の低下は認められるが、熱暴走による短絡を抑制することができる。
 また、積層セラミックコンデンサ1では、誘電体層3と陰極の内部電極層4との界面11付近に蓄積した酸素空孔10の電荷によって、誘電体層3中に形成される電界が弱められる。換言すると、誘電体層3には、該誘電体層3を挟む一対の内部電極層4に印加された電位差によって形成される電界E0とは逆向きの電界(以下、反電界ともいう)qが形成される。誘電体層3における単位時間当たりの発熱量(ジュール熱)Qは、誘電体層3中の電界の大きさをEとし、誘電体層3の電気伝導度をσとするとき、σEで与えられるので、誘電体層3中の電界が弱められると、誘電体層3の発熱量Qが減少する。このように、積層セラミックコンデンサ1は、誘電体層3の発熱量Qを反電界qの作用によって低減することができるため、熱暴走による短絡を抑制できる。なお、電気伝導度σの発熱量Qへの寄与は、電界Eの発熱量Qへの寄与と比べて小さいため、発熱量Qは、実質的に、電界Eの大きさのみに依存する。
 積層セラミックコンデンサ1は、図2に示すように、誘電体層3と内部電極層4との界面11に、内部電極層4の表面部分が酸化されてなる酸化物相12が存在していてもよい。この場合、誘電体層3と内部電極層4との密着性の低下を抑制できるため、熱衝撃試験における破損、および湿中負荷試験における絶縁抵抗の低下を抑制することができる。その結果、積層セラミックコンデンサ1の信頼性を向上させることができる。
 積層セラミックコンデンサ1は、図2に示すように、内部電極層4の一部分が酸化されてなり、内部電極層4を厚み方向に貫通する酸化物相13を有していてもよい。この場合、内部電極層4を貫通する酸化物相13と、該内部電極層4を挟む一対の誘電体層3との間に化学結合が生じるため、誘電体層3と内部電極層4との結合強度を高めることができる。その結果、誘電体層3と内部電極層4との密着性の低下を効果的に抑制できるため、熱衝撃試験における破損、および湿中負荷試験における絶縁抵抗の低下を効果的に抑制することができる。ひいては、積層セラミックコンデンサ1の信頼性を一層向上させることができる。
 積層セラミックコンデンサ1は、図1に示すように、保護層5を備えていてもよい。保護層5は、第1側面9Aに位置し、第1側面9Aに露出した内部電極層4を覆っていてもよい。また、保護層5は、第2側面9Bに位置し、第2側面9Bに露出した内部電極層4を覆っていてもよい。積層セラミックコンデンサ1が保護層5を備える場合、側面9に露出した内部電極層4を物理的に保護することができる。また、側面9に露出した極性の異なる内部電極層4同士の短絡を抑制することができる。
 保護層5は、例えばBaTiO、CaTiO、SrTiO、BaZrO等のセラミック材料で構成されていてもよい。保護層5は、誘電体層3を構成するセラミック材料と同じセラミック材料で構成されていてもよく、この場合、積層体2および保護層5を同時に焼成することが可能となる。
 保護層5の厚みが薄いほど、積層セラミックコンデンサの取得静電容量に寄与しない絶縁マージン部を縮小できるため、積層セラミックコンデンサを小型大容量化することができる。保護層5の厚みは、例えば25μm~120μm程度であってもよい。
 積層セラミックコンデンサ1は、図1に示すように、外部との電気的接続のための外部電極6を備えていてもよい。外部電極6は、第1外部電極6Aおよび第2外部電極6Bを含む。第1外部電極6Aは、第1端面8Aに位置し、第1端面8Aに露出した内部電極層4と電気的に接続されていてもよい。第2外部電極6Bは、第2端面8Bに位置し、第2端面8Bに露出した内部電極層4と電気的に接続されていてもよい。
 外部電極6は、第1面7Aおよび第2面7Bに回り込んでいてもよい。第1外部電極6Aは、第1側面9A上および第2側面9B上に回り込み、保護層5における第1端面8A寄りの部位を覆っていてもよい。第2外部電極6Bは、第1側面9A上および第2側面9B上に回り込み、保護層5における第2端面8B寄りの部位を覆っていてもよい。第1外部電極6Aと第2外部電極6Bとは、互いに電気的に絶縁されている。
 外部電極6は、積層体2に接続する下地層と、めっき外層とで構成されていてもよい。外部電極6がめっき外層を有する場合、はんだ等の導電性接合材を用いた外部機器への実装が容易になる。下地層は、焼成後の積層体2に塗布焼き付けしてもよく、焼成前の積層体2に塗布し、積層体2と同時に焼成してもよい。下地層は、直接めっきで形成されていてもよい。下地層およびめっき外層は、各々、単一層からなっていてもよく、複数層からなっていてもよい。下地層およびめっき外層は、例えばNi、Cu、Ag、Pd、Au等の金属材料またはこれらの金属材料を含む合金材料で構成されていてもよい。
 積層セラミックコンデンサ1は、例えば、以下に説明する方法によって製造することができる。
 先ず、誘電体層3の材料として、BaTiOを主成分とするセラミック粉末を準備し、準備したセラミック粉末に有機ビヒクルを加えて、セラミックスラリーを調製する。本明細書において、主成分とは、着目する材料、部材等において最も含有濃度(mol%)が高い成分を指す。有機ビヒクルは、バインダを有機溶剤に溶解させたものである。バインダは、例えばエチルセルロース、ポリビニルブチラール等であってもよい。有機溶剤は、例えばテルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等であってもよい。続いて、調製したセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。セラミックグリーンシートの作製には、例えばドクターブレード法、ダイコーター法等のシート成形法を用いることができる。
 次に、内部電極層4の材料として、Niを主成分とする金属粉末を用いて、導電性ペーストを調製する。続いて、調製した導電性ペーストを用いて、セラミックグリーンシートの主面上に内部電極層4となる電極パターンが印刷されたパターンシートを作製する。電極パターンの印刷には、例えばスクリーン印刷法、グラビア印刷法等の印刷法を用いることができる。
 次に、パターンシートを所定枚数積層して、積層体2の前駆体(以下、積層体前駆体ともいう)を作製する。次に、積層体前駆体を積層方向にプレスして、パターンシート同士を密着させる。前駆体のプレスは、例えば静水圧プレス装置を用いて行うことができる。保護層5は、積層体前駆体の側面9に、保護層5となるセラミックグリーンシートを貼り付ける、または保護層5となるセラミックスラリーを塗布し、乾燥させることによって形成することができる。続いて、積層体前駆体に、大気雰囲気、不活性ガス雰囲気または還元雰囲気で脱脂処理を行った後、脱脂した積層体前駆体を還元雰囲気で焼成(以下、雰囲気焼成ともいう)する。雰囲気焼成の焼成温度は、例えば1100℃~1300℃程度であってもよい。
 次に、積層体前駆体を窒素雰囲気で酸化処理することによって、積層体2を作製する。酸化処理前の積層体前駆体の誘電体層3には、6.1×1014個/mmを超える量の酸素空孔が残存している。誘電体層3に絶縁性を付与するために、誘電体層3中の酸素空孔量を減少させる。積層セラミックコンデンサ1を製造するために、酸化処理の温度を比較的高温(例えば800℃~1000℃程度)に維持しつつ、酸化処理中の酸素雰囲気を調整し、酸素濃度を下げることによって、誘電体層3中に1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下の酸素空孔10を残存させる。
 酸化処理においては、誘電体層3中の酸素空孔量を減少させるとともに、内部電極層4の少なくとも表面部分を酸化させる。内部電極層4の酸化は、ガス雰囲気の化学平衡によって生成される平衡酸素分圧pOによって制御される。ガス雰囲気の平衡酸素分圧pOは、ガス中のHおよびHOの分圧(濃度)によって決定される。HおよびHOの比率H/HOが大きいほど、平衡酸素分圧pOは低くなる。本製造方法では、酸化処理の温度を800℃~1000℃程度とし、平衡酸素分圧pOを10-8atm~10-12atm程度とすることによって、誘電体層3中の酸素空孔量を1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下とするとともに、内部電極層4の少なくとも表面部分を酸化させる。
 なお、誘電体層3中の酸素空孔量を減少させることのみが目的であれば、高い酸素分圧の雰囲気中で酸化処理を行うことによって、誘電体層3中の酸素空孔量を減少させることができるが、この場合、積層セラミックコンデンサが薄層コンデンサであるときに、熱伝導性の増加による放熱効果を期待できず、また反電界の発生による発熱量の低減効果が弱く、熱暴走による短絡が発生し易い。一方、酸化処理の温度を下げることによって、酸化処理時の酸素空孔量の減少を抑制することができるが、この場合、内部電極層4の表面部分が十分に酸化されないため、誘電体層3と内部電極層4との密着力が低下し易い。
 酸化処理を行った積層体2に外部電極6を形成することによって、図1に示す積層セラミックコンデンサ1を製造することができる。
 実施例の積層セラミックコンデンサ(表1の試料4~6)を作製した。誘電体層3および保護層5の材料としてBaTiOを用い、内部電極層4および外部電極6の材料としてNiを用いた。また、誘電体層3の厚みを0.95μmとし、内部電極層4の厚みを0.55μmとし、パターンシートの積層数は、460とした。積層体2は、第1方向の寸法を1680μmとし、第2方向の寸法を825μmとし、第3方向の寸法を830μmとした。保護層5は、厚みを70μmとした。外部電極6の形状は、図1に示すような形状とした。試料4~6は、表1に示すように、酸化処理の条件が互いに異なり、その結果、誘電体層3中の酸素空孔量が互いに異なっている。
 酸化処理の条件が実施例と異なること以外は実施例と同様にして、比較例の積層セラミックコンデンサ(表1の試料1~3,7)を作製した。試料1~3,7は、誘電体層3中の酸素空孔量が、1.1×1014個/mmよりも少なく、または6.1×1014個/mmよりも多くなっている。
 誘電体層3中の酸素空孔量は、例えば、次に示す方法で算出することができる。まず、積層セラミックコンデンサ(以下、試料ともいう)を、所定の分極条件で分極させる。分極条件は、例えば、200℃の温度で6Vの電圧を60分間印加する条件であってもよい。分極条件は、熱刺激脱分極電流(Thermally Stimulated Depolarization Current;TSDC)が時間的に飽和する条件であればよく、分極条件、特に印加電圧および印加時間は、試料毎に異なっていてもよい。積層セラミックコンデンサを分極させた後、積層セラミックコンデンサを6Vの電圧を印加したまま室温まで冷却した後、極性の異なる内部電極層4同士を10分間短絡させる。続いて、積層セラミックコンデンサを、室温から340℃まで、毎分5℃の昇温速度で昇温させる。その際、微小電流計を用いてTSDCを測定する。酸素空孔の移動に相当するTSDCのピーク部分の面積と、昇温速度とから酸素空孔の電荷量を算出する。酸素空孔量(個/mm)は、酸素空孔の価数と電気素量との積によって酸素空孔の電荷量を除算した量を、積層体2の寸法から求められる誘電体層3の体積によって除算することで求めることができる。
 実施例および比較例の積層セラミックコンデンサについて、熱衝撃試験および高温負荷試験を行い、それらの信頼性を評価した。評価した結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 熱衝撃試験は、室温(25℃)状態の試料1~7を所定温度(305℃)に保持したはんだ浴に投入し、熱衝撃(ΔT=280℃)を与えた後、試料1~7の外観を実体顕微鏡で観察し、クラックの有無を検査する試験である。例えば、表1における試料2についての「7/100」は、熱衝撃試験を行った結果、100個の試料のうちの7個の試料にクラックが観察されたことを意味している。その他についても同様である。
 高温負荷試験は、恒温槽中に試料1~7を保持し、140℃の温度で9.5Vの電圧を印加し、漏れ電流を計測する試験である。電圧の印加中に短絡が発生した試料は不良品とした。例えば、表1における試料2についての「18/100」は、高温負荷試験を行った結果、100個の試料のうちの18個の試料に短絡が発生したことを意味している。その他についても同様である。なお、酸素空孔量が6.1×1014個/mmよりも多い試料7については、絶縁抵抗が小さいため、通電試験を実施できなかった。
 実施例(試料4~6)の積層セラミックコンデンサは、熱衝撃試験においてクラックが発生することがあっても、高温負荷試験において熱暴走による短絡が発生することがなかった。実施例の積層セラミックコンデンサは、誘電体層3中の酸素空孔量を1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下とすることで、高温負荷試験における熱暴走を抑制し、短絡の発生を抑制できる。さらに、実施例の積層セラミックコンデンサは、内部電極層4の表面部分を酸化することで、誘電体層3と内部電極層4との密着性(すなわち、耐熱衝撃性)を確保している。
 試料1の積層セラミックコンデンサは、酸素空孔量が少なく、漏れ電流の経時増加は小さいが、高温負荷試験で短絡が発生した。試料2は、試料1の場合よりも酸化処理の温度が低く、試料1よりも酸素空孔量が増加している。試料2は、内部電極層4の酸化が十分ではないため、誘電体層3と内部電極層4との密着性が低く、その結果、熱衝撃試験で不良品が発生した。試料2は、試料1よりも漏れ電流の経時増加が大きいが、短絡を抑制するには十分でなかった。試料3は、酸化処理における平衡酸素分圧pOを低下させ、ガス雰囲気の酸化性を弱めることによって、試料1,2よりも酸素空孔量を増加させているが、高温負荷試験で短絡が発生した。試料7は、試料4~6の場合よりも酸化処理の酸素分圧を低下させ、ガス雰囲気の酸化性を弱めることによって、試料4~6よりも酸素空孔量を増加させている。高温負荷試験について、試料7は、誘電体層3の抵抗が小さすぎるため、通電試験を行うことができなかった。また、熱衝撃試験について、試料7は、ガス雰囲気の酸化性が弱すぎるため、誘電体層3と内部電極層4との密着性が低く、不良品が発生した。
 上記のように、実施例では、誘電体層3中の酸素空孔量を1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下とすることで、熱暴走による短絡を抑制できることがわかった。また、実施例では、内部電極層4の表面部分を酸化させることで、誘電体層3と内部電極層4との密着性が高められていることがわかった。
 本開示に係る積層セラミック電子部品は、次の実施形態(1)~(4)が可能である。
(1)誘電体層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層体を備え、
 前記誘電体層中の酸素空孔量が、1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下である、積層セラミック電子部品。
(2)前記誘電体層と前記内部電極層との界面に、前記内部電極層の表面部分が酸化されてなる酸化物相を有している、上記(1)に記載の積層セラミック電子部品。
(3)前記誘電体層の厚みが、0.5μm以上5.0μm以下である、上記(1)または(2)に記載の積層セラミック電子部品。
(4)前記誘電体層は、BaおよびTiを含み、前記内部電極層は、Niを含む、上記(1)~(3)のいずれか1項に記載の積層セラミック電子部品。
 本開示の積層セラミック電子部品によれば、高温負荷時の熱暴走による短絡が発生し難い、信頼性に優れた積層セラミック電子部品を得ることができる。
 以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
 1   積層セラミック電子部品(積層セラミックコンデンサ)
 2   積層体
 3   誘電体層
 4   内部電極層
 5   保護層
 6   外部電極
 6A  第1外部電極
 6B  第2外部電極
 7   主面
 7A  第1面
 7B  第2面
 8   端面
 8A  第1端面
 8B  第2端面
 9   側面
 9A  第1側面
 9B  第2側面
 10  酸素空孔
 11  界面
 12,13 酸化物相

Claims (4)

  1.  誘電体層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層体を備え、
     前記誘電体層中の酸素空孔量が、1.1×1014個/mm以上6.1×1014個/mm以下である、積層セラミック電子部品。
  2.  前記誘電体層と前記内部電極層との界面に、前記内部電極層の表面部分が酸化されてなる酸化物相を有している、請求項1に記載の積層セラミック電子部品。
  3.  前記誘電体層の厚みが、0.5μm以上5.0μm以下である、請求項1または2に記載の積層セラミック電子部品。
  4.  前記誘電体層は、BaおよびTiを含み、前記内部電極層は、Niを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の積層セラミック電子部品。
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