(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023136777
(43)【公開日】2023-09-29
(54)【発明の名称】セラミック電子部品およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01G 4/30 20060101AFI20230922BHJP
【FI】
H01G4/30 201G
H01G4/30 201D
H01G4/30 516
H01G4/30 512
H01G4/30 201K
H01G4/30 201C
H01G4/30 513
H01G4/30 517
H01G4/30 311D
H01G4/30 311E
H01G4/30 311F
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022042654
(22)【出願日】2022-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】000204284
【氏名又は名称】太陽誘電株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平
(72)【発明者】
【氏名】北村 翔平
【テーマコード(参考)】
5E001
5E082
【Fターム(参考)】
5E001AB03
5E001AC09
5E001AE01
5E001AE02
5E001AE03
5E001AE04
5E001AH01
5E001AH05
5E001AH06
5E001AH07
5E001AH09
5E001AJ01
5E001AJ02
5E001AJ03
5E082AB03
5E082BC40
5E082EE23
5E082EE35
5E082FG04
5E082FG26
5E082FG46
5E082FG54
5E082GG10
5E082GG26
5E082GG28
5E082LL02
5E082LL03
5E082MM24
(57)【要約】
【課題】 内部電極層と外部電極との接合性を向上させることができるセラミック電子部品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 セラミック電子部品は、セラミックを主成分とする複数の誘電体層と、Niを主成分とする複数の内部電極層とが交互に積層され、略直方体形状を有し、前記略直方体形状の対向する2端面に前記複数の内部電極層が交互に露出するように形成された積層チップと、前記2端面に設けられ、Niを主成分とし、Ni以外の添加金属元素および共材を含む外部電極と、を備え、前記添加金属元素の濃度は、前記内部電極層よりも前記外部電極の方が高いことを特徴とする。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックを主成分とする複数の誘電体層と、Niを主成分とする複数の内部電極層とが交互に積層され、略直方体形状を有し、前記略直方体形状の対向する2端面に前記複数の内部電極層が交互に露出するように形成された積層チップと、
前記2端面に設けられ、Niを主成分とし、Ni以外の添加金属元素および共材を含む外部電極と、を備え、
前記添加金属元素の濃度は、前記内部電極層よりも前記外部電極の方が高いことを特徴とするセラミック電子部品。
【請求項2】
前記添加金属元素は、Au、Sn、Cr、Fe、Y、In、As、Co、Cu、Ir、Mg、Os、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、Se、Te、Zn、Geから選択された1種または2種以上であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック電子部品。
【請求項3】
前記外部電極における前記添加金属元素の濃度は、Niに対して0.01at%以上、5.0at%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセラミック電子部品。
【請求項4】
前記外部電極における前記添加金属元素の濃度に対する、当該外部電極が接続される前記内部電極層における前記添加金属元素の濃度の比は、0.1以上、0.5以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項5】
前記外部電極について、横軸に前記共材のそれぞれの径をとり、縦軸に前記共材のそれぞれの体積の合計が100%となるように体積分布(%)をとり、得られるグラフの20%値と80%値と結んで直線近似した場合の傾きmは、3.8以上、5.0以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項6】
前記積層チップの同じ端面に露出する内部電極層同士が、異なる端面に露出する内部電極層を介さずに対向するエンドマージン領域内において、前記添加金属元素の濃度は、前記内部電極層よりも前記外部電極の方が高いことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項7】
前記誘電体層の厚みは、0.8μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項8】
前記内部電極層の厚みは、0.8μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項9】
前記内部電極層は、前記添加金属元素を含むことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項10】
前記内部電極層は、共材を含むことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のセラミック電子部品。
【請求項11】
セラミック粉末を含む誘電体グリーンシートと、Niを主成分金属とする内部電極パターンと、を交互に積層して略直方体形状のセラミック積層体を形成し、前記セラミック積層体の対向する2端面に、積層された前記内部電極パターンを交互に露出させ、
Niを主成分金属としてNi以外の添加金属元素および共材を含む金属ペーストを前記2端面に配置し、
前記内部電極パターンから得られる前記内部電極層よりも、前記金属ペーストから得られる前記外部電極の方が、前記添加金属元素の濃度が高くなるように、前記セラミック積層体を焼成することを特徴とするセラミック電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミック電子部品およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話を代表とするような携帯端末やその他電子機器において、構成部品の一つとして、積層セラミックコンデンサなどのセラミック電子部品が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2014-082435号公報
【特許文献2】特開2013-229555号公報
【特許文献3】特開2018-195799号公報
【特許文献4】特開2014-093516号公報
【特許文献5】特開2014-170911号公報
【特許文献6】特開2013-055314号公報
【特許文献7】特開2002-343669号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
外部電極と誘電体層とを同時に焼成する場合、焼成過程で誘電体層と外部電極とで緻密化温度域が異なることに起因して、外部電極が過焼結となって収縮し、内部電極層と外部電極との接合性が悪くなり、所望の特性が得られないおそれがある。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、内部電極層と外部電極との接合性を維持することができるセラミック電子部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るセラミック電子部品は、セラミックを主成分とする複数の誘電体層と、Niを主成分とする複数の内部電極層とが交互に積層され、略直方体形状を有し、前記略直方体形状の対向する2端面に前記複数の内部電極層が交互に露出するように形成された積層チップと、前記2端面に設けられ、Niを主成分とし、Ni以外の添加金属元素および共材を含む外部電極と、を備え、前記添加金属元素の濃度は、前記内部電極層よりも前記外部電極の方が高いことを特徴とする。
【0007】
上記セラミック電子部品において、前記添加金属元素は、Au、Sn、Cr、Fe、Y、In、As、Co、Cu、Ir、Mg、Os、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、Se、Te、Zn、Geから選択された1種または2種以上であってもよい。
【0008】
上記セラミック電子部品において、前記外部電極における前記添加金属元素の濃度は、Niに対して0.01at%以上、5.0at%以下であってもよい。
【0009】
上記セラミック電子部品において、前記外部電極における前記添加金属元素の濃度に対する、当該外部電極が接続される前記内部電極層における前記添加金属元素の濃度の比は、0.1以上、0.5以下であってもよい。
【0010】
上記セラミック電子部品において、前記外部電極について、横軸に前記共材のそれぞれの径をとり、縦軸に前記共材のそれぞれの体積の合計が100%となるように体積分布(%)をとり、得られるグラフの20%値と80%値と結んで直線近似した場合の傾きmは、3.8以上、5.0以下であってもよい。
【0011】
上記セラミック電子部品において、前記積層チップの同じ端面に露出する内部電極層同士が、異なる端面に露出する内部電極層を介さずに対向するエンドマージン領域内において、前記添加金属元素の濃度は、前記内部電極層よりも前記外部電極の方が高くてもよい。
【0012】
上記セラミック電子部品において、前記誘電体層の厚みは、0.8μm以下であってもよい。
【0013】
上記セラミック電子部品において、前記内部電極層の厚みは、0.8μm以下であってもよい。
【0014】
上記セラミック電子部品において、前記内部電極層は、前記添加金属元素を含んでいてもよい。
【0015】
上記セラミック電子部品において、前記内部電極層は、共材を含んでいてもよい。
【0016】
本発明に係るセラミック電子部品の製造方法は、セラミック粉末を含む誘電体グリーンシートと、Niを主成分金属とする内部電極パターンと、を交互に積層して略直方体形状のセラミック積層体を形成し、前記セラミック積層体の対向する2端面に、積層された前記内部電極パターンを交互に露出させ、Niを主成分金属としてNi以外の添加金属元素および共材を含む金属ペーストを前記2端面に配置し、前記内部電極パターンから得られる前記内部電極層よりも、前記金属ペーストから得られる前記外部電極の方が、前記添加金属元素の濃度が高くなるように、前記セラミック積層体を焼成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、内部電極層と外部電極との接合性を維持することができるセラミック電子部品およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【
図1】積層セラミックコンデンサの部分断面斜視図である。
【
図6】積層セラミックコンデンサの製造方法のフローを例示する図である。
【
図7】(a)および(b)は積層工程を例示する図である。
【
図8】(a)は実施例1の積層方向の断面のSEM写真をトレースした図であり、(b)は比較例の積層方向の断面のSEM写真をトレースした図である。
【
図9】実施例1および比較例について、共材の直径と体積分布とから算出されるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
【0020】
図1は、実施形態に係る積層セラミックコンデンサ100の部分断面斜視図である。
図2は、
図1のA-A線断面図である。
図3は、
図1のB-B線断面図である。
図1~
図3で例示するように、積層セラミックコンデンサ100は、略直方体形状を有する積層チップ10と、積層チップ10のいずれかの対向する2端面に設けられた外部電極20a,20bとを備える。なお、積層チップ10の当該2端面以外の4面のうち、積層方向の上面および下面以外の2面を側面と称する。外部電極20a,20bは、積層チップ10の積層方向の上面、下面および2側面に延在している。ただし、外部電極20a,20bは、互いに離間している。
【0021】
積層チップ10は、誘電体として機能するセラミック材料を含む誘電体層11と、金属を主成分とする内部電極層12とが、交互に積層された構成を有する。言い換えると、積層チップ10は、互いに対向する複数の内部電極層12と、複数の内部電極層12の間に各々挟まれた誘電体層11と、を備えている。各内部電極層12の端縁は、積層チップ10の外部電極20aが設けられた端面と、外部電極20bが設けられた端面において、交互に露出している。それにより、各内部電極層12は、外部電極20aと外部電極20bとに、交互に導通している。その結果、積層セラミックコンデンサ100は、複数の誘電体層11が内部電極層12を介して積層された構成を有する。また、誘電体層11と内部電極層12との積層体において、積層方向の最外層には内部電極層12が配置され、当該積層体の上面および下面は、カバー層13によって覆われている。カバー層13は、セラミック材料を主成分とする。例えば、カバー層13は、誘電体層11と組成が同じであっても、異なっていても構わない。
【0022】
積層セラミックコンデンサ100のサイズは、例えば、長さ0.25mm、幅0.125mm、高さ0.125mmであり、または長さ0.4mm、幅0.2mm、高さ0.2mm、または長さ0.6mm、幅0.3mm、高さ0.3mmであり、または長さ0.6mm、幅0.3mm、高さ0.110mmであり、または長さ1.0mm、幅0.5mm、高さ0.5mmであり、または長さ1.0mm、幅0.5mm、高さ0.1mmであり、または長さ3.2mm、幅1.6mm、高さ1.6mmであり、または長さ4.5mm、幅3.2mm、高さ2.5mmであるが、これらのサイズに限定されるものではない。
【0023】
誘電体層11は、例えば、一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造を有するセラミック材料を主相とする。なお、当該ペロブスカイト構造は、化学量論組成から外れたABO3-αを含む。例えば、当該セラミック材料として、BaTiO3(チタン酸バリウム),CaZrO3(ジルコン酸カルシウム),CaTiO3(チタン酸カルシウム),SrTiO3(チタン酸ストロンチウム),MgTiO3(チタン酸マグネシウム),ペロブスカイト構造を形成するBa1-x-yCaxSryTi1-zZrzO3(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1)等のうち少なくとも1つから選択して用いることができる。Ba1-x-yCaxSryTi1-zZrzO3は、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸バリウムカルシウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸カルシウムおよびチタン酸ジルコン酸バリウムカルシウムなどである。
【0024】
誘電体層11には、添加物が添加されていてもよい。誘電体層11への添加物として、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、希土類元素(イットリウム(Y)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホロミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)およびイッテルビウム(Yb))の酸化物、または、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、リチウム(Li)、ホウ素(B)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)もしくはケイ素(Si)を含む酸化物、または、Co、Ni、Li、B、Na、KもしくはSiを含むガラスが挙げられる。
【0025】
外部電極20a,20bは、Niを主成分とする。外部電極20a,20bは、主成分であるNi以外に、主成分よりも小さいモル比率で添加金属元素を含んでいる。添加金属元素は、Ni以外であれば特に限定されるものではないが、例えば、金(Au)、スズ(Sn)、Cr、鉄(Fe)、イットリウム(Y)、インジウム(In)、砒素(As)、Co、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、Mg、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、レニウム(Re)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、セレン(Se)、テルル(Te)、亜鉛(Zn)、ゲルマニウム(Ge)から選択された1種または2種以上であってもよい。添加金属元素が2種以上である場合には、合計のモル比率がNiのモル比率よりも小さくなっている。また、内部電極層12は、セラミック粒子の共材を含んでいる。共材は、特に限定されるものではないが、誘電体層11の主成分セラミックと同じものなどを用いることができる。例えば、共材として、BaTiO3(チタン酸バリウム),CaZrO3(ジルコン酸カルシウム),CaTiO3(チタン酸カルシウム),SrTiO3(チタン酸ストロンチウム),MgTiO3(チタン酸マグネシウム),ペロブスカイト構造を形成するBa1-x-yCaxSryTi1-zZrzO3(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1)等のうち少なくとも1つから選択して用いることができる。Ba1-x-yCaxSryTi1-zZrzO3は、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸バリウムカルシウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸カルシウムおよびチタン酸ジルコン酸バリウムカルシウムなどを用いることができる。
【0026】
内部電極層12は、Niを主成分とする。内部電極層12は、主成分であるNi以外に、主成分よりも小さいモル比率で、内部電極層12と同じ添加金属元素を含んでいてもよい。また、内部電極層12は、セラミック粒子の共材を含んでいてもよい。
【0027】
図2で例示するように、外部電極20aに接続された内部電極層12と外部電極20bに接続された内部電極層12とが対向する領域は、積層セラミックコンデンサ100において電気容量を生じる領域である。そこで、当該電気容量を生じる領域を、容量領域14と称する。すなわち、容量領域14は、異なる外部電極に接続された隣接する内部電極層12同士が対向する領域である。
【0028】
外部電極20aに接続された内部電極層12同士が、外部電極20bに接続された内部電極層12を介さずに対向する領域を、エンドマージン15と称する。また、外部電極20bに接続された内部電極層12同士が、外部電極20aに接続された内部電極層12を介さずに対向する領域も、エンドマージン15である。すなわち、エンドマージン15は、同じ外部電極に接続された内部電極層12が異なる外部電極に接続された内部電極層12を介さずに対向する領域である。エンドマージン15は、電気容量を生じない領域である。
【0029】
図3で例示するように、積層チップ10において、積層チップ10の2側面から内部電極層12に至るまでの領域をサイドマージン16と称する。すなわち、サイドマージン16は、上記積層構造において積層された複数の内部電極層12が2側面側に延びた端部を覆うように設けられた領域である。サイドマージン16も、電気容量を生じない領域である。
【0030】
1層あたりの内部電極層12の厚みは、例えば、0.2μm以上0.8μm以下、0.3μm以上0.8μm以下、0.6μm以上0.8μm以下、0.8μm以上1.5μm以下、1.5μm以上4.0μm以下である。1層あたりの内部電極層12の厚みは、積層セラミックコンデンサ100の例えば
図2の断面を機械研磨で露出した後、走査透過電子顕微鏡等の顕微鏡で撮影した画像から10か所の厚さの平均値を求めるようにして測定することができる。
【0031】
1層あたりの誘電体層11の厚みは、例えば、0.2μm以上0.4μm以下であり、または0.4μm以上0.5μm以下であり、または0.4μm以上1.0μm以下であり、または1.0μm以上10μm以下である。1層あたりの誘電体層11の厚みは、積層セラミックコンデンサの例えば
図2の断面を機械研磨で露出した後、走査透過電子顕微鏡等の顕微鏡で撮影した画像から10か所の厚さの平均値を求めるようにして測定することができる。
【0032】
外部電極20a,20bと誘電体層11とを同時に焼成する場合、焼成過程で誘電体層11と外部電極20a,20bとで緻密化温度域が異なることに起因して、外部電極20a,20bが過焼結となって収縮するおそれがある。この場合、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性が低下して導通が悪くなり、所望の特性が得られないおそれがある。
【0033】
また、焼成過程で外部電極20a,20bが収縮すると、外部電極20a,20bの端部が積層チップ10にめり込むような状態となって応力が発生し、
図4で例示するように、積層チップ10にクラック40が発生するおそれがある。
【0034】
本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ100は、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性を向上させる構成を有している。また、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ100は、クラックの発生を抑制することができる構成を有している。
【0035】
まず、外部電極20a,20bが共材を含むことで、外部電極20a,20bの焼結が遅延する。また、外部電極20a,20bが主成分であるNiに加えて異種の添加金属元素を含むことで、外部電極20a,20bに残存する共材量を多くすることができる。これは、共材粒子の周りに添加金属元素が偏析するからであると考えられる。微細で高分散な共材を用いることで、外部電極20a,20bに残存する共材量を特に多くすることができる。焼結遅延目的で添加している共材が焼結過程で誘電体層11に拡散せずに外部電極20a,20bに多く残存することにより、焼結遅延効果が十分に得られ、クラックの発生を抑制することができる。さらに、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ100では、添加金属元素の濃度が内部電極層120よりも外部電極20a,20bの方が高くなっている。この構成により、外部電極20a,20bから内部電極層12に向かって添加金属元素が拡散し、添加金属元素の流れが生じるため、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性が向上する。その結果、接続不良による容量低下を抑制し、所望の容量や特性を実現することができる。なお、共材を含む内部電極層12に添加金属元素が拡散することで内部電極層12においても焼結遅延効果が得られるため、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性が向上する。
【0036】
外部電極に近い箇所で添加金属元素濃度に差が生じていることが好ましいため、各エンドマージン15において、添加金属元素の濃度が内部電極層12よりも、当該内部電極層に接続されている外部電極の方が高くなっていることが好ましい。
【0037】
添加金属元素としてAu、Sn、Cr、Fe、Y、In、As、Co、Cu、Ir、Mg、Os、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、Se、Te、Zn、Geを用いると、共材粒子の周りにこれらの添加金属元素が偏析しやすくなり、外部電極20a,20bに残存する共材量を多くすることができる。
【0038】
外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素の量が少ないと、十分な量の共材を外部電極20a,20b内に残存させることができないおそれがある。そこで、外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素濃度に下限を設けることが好ましい。例えば、外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素濃度は、Niに対して、0.01at%以上であることが好ましく、0.1at%以上であることがより好ましく、1.0at%以上であることがさらに好ましい。なお、添加金属元素濃度は、Niを100at%と仮定した場合の、添加金属元素の原子数比率である。
【0039】
一方、外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素の量が多いと、添加金属元素が誘電体層11に拡散し、誘電体層11の添加剤設計を悪化させ、容量や特性値が設計値から外れるおそれがある。そこで、外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素濃度に上限を設けることが好ましい。例えば、外部電極20a,20bにおいて、添加金属元素濃度は、Niに対して、5.0at%以下であることが好ましく、3.0at%以下であることがより好ましく、1.5at%以下であることがさらに好ましい。
【0040】
外部電極20a,20bにおける添加金属元素濃度に上限および下限を設ける観点から、外部電極20a,20bにおける添加金属元素濃度に対する、当該外部電極が接続される内部電極層12における添加金属元素濃度の比に上限および下限を設けることが好ましい。例えば、当該比は、0.3以上、0.5以下であることが好ましく、0.2以上、0.4以下であることがより好ましく、0.1以上、0.2以下であることがさらに好ましい。
【0041】
外部電極20a,20bに残存する共材の量が少ないと、焼結遅延効果を十分に得ることができないおそれがある。そこで、外部電極20a,20bにおいて、共材の量に下限を設けることが好ましい。例えば、外部電極20a,20bにおいて、共材の量は、10wt%以上であることが好ましく、15wt%以上であることがより好ましく、25wt%以上であることがさらに好ましい。なお、共材の添加量は、Niを100wt%と仮定した場合の、添加共材の重量比率である。
【0042】
一方、外部電極20a,20bに残存する共材の量が多いと、局所的に収縮が遅くなる箇所が増えることになり、そこを起点に収縮応力が貯まり、外電内部からのクラックを誘発するおそれがある。そこで、外部電極20a,20bにおいて、共材の量に上限を設けることが好ましい。例えば、外部電極20a,20bにおいて、共材の量は、40wt%以下であることが好ましく、35wt%以下であることがより好ましく、30wt%以下であることがさらに好ましい。
【0043】
なお、外部電極20a,20bに残存する共材の量として、共材の体積分布を指標とすることもできる。例えば、
図5で例示するように、外部電極20a,20bに分散して残存する複数の共材のそれぞれの径と、各径から算出される各共材の体積の合計が100%となるように体積分布を算出する。横軸は、各共材の径を示す。縦軸は、体積分布(%)を示す。この分布のグラフにおいて、直線近似して得られる直線の傾きmが小さいほど、径の大きい共材が多く残存していることになる。例えば、傾きmは、3.8以上5.0以下であることが好ましく、3.9以上4.9以下であることがより好ましく、4.5以上4.8以下であることがさらに好ましい。なお、各共材の径は、例えば、外部電極の中央の断面のSEM写真で、各粒子の最大長さを計測することで取得することができる。計測された径を立方体の1辺とした場合の立方体体積を当該粒子の体積として算出することができる。直線近似については、体積分布の20%値と80%値とを使用して、そのデータ2点間を結んで算出することで直線を得ることができる。
【0044】
続いて、積層セラミックコンデンサ100の製造方法について説明する。
図6は、積層セラミックコンデンサ100の製造方法のフローを例示する図である。
【0045】
(原料粉末作製工程)
まず、誘電体層11を形成するための誘電体材料を用意する。誘電体層11に含まれるAサイト元素およびBサイト元素は、通常はABO3の粒子の焼結体の形で誘電体層11に含まれる。例えば、BaTiO3は、ペロブスカイト構造を有する正方晶化合物であって、高い誘電率を示す。このBaTiO3は、一般的に、二酸化チタンなどのチタン原料と炭酸バリウムなどのバリウム原料とを反応させてチタン酸バリウムを合成することで得ることができる。誘電体層11の主成分セラミックの合成方法としては、従来種々の方法が知られており、例えば固相法、ゾル-ゲル法、水熱法等が知られている。本実施形態においては、これらのいずれも採用することができる。
【0046】
得られたセラミック粉末に、目的に応じて所定の添加物を添加する。添加化合物としては、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、希土類元素(イットリウム(Y)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホロミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)およびイッテルビウム(Yb))の酸化物、または、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、リチウム(Li)、ホウ素(B)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)もしくはケイ素(Si)を含む酸化物、または、Co、Ni、Li、B、Na、KもしくはSiを含むガラスが挙げられる。これらのうち、主としてSiO2が焼結助剤として機能する。
【0047】
例えば、セラミック原料粉末に添加物を含む化合物を湿式混合し、乾燥および粉砕してセラミック材料を調製する。例えば、セラミック原料粉末の平均粒径は、誘電体層の薄層化の観点から、好ましくは50~200nmである。例えば、上記のようにして得られたセラミック材料について、必要に応じて粉砕処理して粒径を調節し、あるいは分級処理と組み合わせることで粒径を整えてもよい。以上の工程により、誘電体材料が得られる。
【0048】
(積層工程)
次に、得られた誘電体材料に、ポリビニルブチラール(PVB)樹脂等のバインダと、エタノール、トルエン等の有機溶剤と、可塑剤とを加えて湿式混合する。得られたスラリを使用して、例えばダイコータ法やドクターブレード法により、基材51上に、例えば厚み0.8μm以下の誘電体グリーンシート52を塗工して乾燥させる。基材51は、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムである。
【0049】
次に、
図7(a)で例示するように、誘電体グリーンシート52上に、内部電極パターン53を成膜する。
図7(a)では、一例として、誘電体グリーンシート52上に4層の内部電極パターン53が所定の間隔を空けて成膜されている。内部電極パターン53が成膜された誘電体グリーンシート52を、積層単位とする。内部電極パターン53は、主成分金属であるNi粉末を含み、共材の粉末や添加金属元素の粉末などを含んでいてもよい。内部電極パターン53に添加金属元素を含ませる場合には、Niに対する添加金属元素濃度を、後述する外部電極形成用の金属ペーストにおける添加金属元素濃度(Niに対する濃度)よりも小さくする。
【0050】
次に、誘電体グリーンシート52を基材51から剥がしつつ、
図7(b)で例示するように、積層単位を所定数(例えば100層から500層)だけ積層する。
【0051】
次に、積層単位が積層されることで得られた積層体の上下にカバーシート54を所定数(例えば2~10層)だけ積層して熱圧着させ、所定チップ寸法(例えば1.0mm×0.5mm)にカットする。
図7(b)の例では、点線に沿ってカットする。カバーシート54は、誘電体グリーンシート52と同じ成分であってもよく、添加物が異なっていてもよい。得られたセラミック積層体のそれぞれの両端面に、外部電極となる金属ペーストをディップ法等で塗布して乾燥させる。金属ペーストは、主成分金属であるNi粉末、共材の粉末、添加金属元素の粉末などを含むペースト材料である。
【0052】
(焼成工程)
次に、得られたセラミック積層体を、250~500℃のN2雰囲気中で脱バインダ処理した後に、酸素分圧10-5~10-8atmの還元雰囲気中で1100~1300℃で10分~2時間焼成する。このようにして、積層セラミックコンデンサ100が得られる。なお、焼成工程において昇温速度を大きくすることで、共材が金属材料から吐き出される前に金属材料が焼結するため、共材が外部電極20a,20bに残存しやすくなる。そこで、焼成工程において室温から最高温度までの平均昇温速度は、30℃/分以上とすることが好ましく、45℃/分以上とすることがより好ましい。なお、平均昇温速度が大きすぎると、セラミック積層体に残留する有機成分(脱バインダ処理だけで取り切れなかったもの)の排出が十分に行われず、焼成工程中にクラックが発生するなどの不具合が生じるおそれがある。そこで、平均昇温速度を、80℃/分以下とすることが好ましく、65℃/分以下とすることがより好ましい。
【0053】
(再酸化処理工程)
その後、N2ガス雰囲気中において600℃~1000℃で再酸化処理を行ってもよい。
【0054】
(めっき処理工程)
その後、めっき処理により、外部電極20a,20bの表面に、Cu,Ni,Sn等の金属コーティングを行ってもよい。
【0055】
本実施形態に係る製造方法によれば、外部電極形成用の金属ペーストが共材を含むことで、金属ペーストが含む金属成分の焼結が遅延する。また、金属ペーストが主成分であるNiに加えて添加金属元素を含むことで、焼成後の外部電極20a,20bに残存する共材量を多くすることができる。焼結遅延目的で添加している共材が焼結過程で誘電体層11に拡散せずに外部電極20a,20bに多く残存することにより、焼結遅延効果が十分に得られ、クラックの発生を抑制することができる。また、Niに対する添加金属元素の濃度が、内部電極パターン53よりも金属ペーストの方が高くなっていることから、外部電極20a,20bから内部電極層12に向かって添加金属元素が拡散し、添加金属元素の流れが生じるため、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性が向上する。同時に、外部電極20a,20bに多く含まれる共材と誘電体層11やカバー層13が同じ材料である場合、それらが焼結過程を経て積層チップ10と外部電極20a、20bとの境界部で一体化しやすくなり、密着性がそれぞれ向上する。その結果、接続不良による容量低下や前記境界部においてポア等の形成を防げるため、前記境界部に水分が侵入しにくくなることなどの効果が得られ、所望の容量や特性を実現することができる。なお、共材を含む内部電極層12に添加金属元素が拡散することで内部電極層12においても焼結遅延効果が得られるため、内部電極層12と外部電極20a,20bとの接合性が向上する。
【0056】
なお、上記各実施形態においては、セラミック電子部品の一例として積層セラミックコンデンサについて説明したが、それに限られない。例えば、バリスタやサーミスタなどの、他の電子部品を用いてもよい。
【実施例0057】
以下、実施形態に係る積層セラミックコンデンサを作製し、特性について調べた。
【0058】
(実施例1)
チタン酸バリウムを誘電体材料として含む誘電体グリーンシートを塗工し、Ni粉末および共材を含む内部電極パターンを印刷することで積層単位を得た。200層の積層単位を積層し、圧着し、カットした。脱バインダし、Ni粉末、共材、および添加金属元素を含む外部電極用の金属ペーストを2端面に塗布し、還元雰囲気下で焼成した。内部電極パターンおよび金属ペーストの共材として、BaTiO3を用いた。外部電極用の金属ペーストの添加金属元素として、Auを用いた。金属ペーストにおけるAu添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。
【0059】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.52であった。エンドマージンは、
図2で例示したエンドマージン15の部分である。なお、添加金属元素はEDS(エネルギー分散型X線分析)で検出し、当該比として、(内部電極層の添加金属元素の検出量)/(外部電極の添加金属元素の検出量)を用いた。この場合のEDS分析は点分析であって、検出量は所定の照射点における検出量のことである。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、4.64であった。
【0060】
(実施例2)
実施例2では、添加金属元素としてSnを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるSn添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0061】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.28であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、3.90であった。
【0062】
(実施例3)
実施例3では、添加金属元素としてCrを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるCr添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0063】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.51であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、4.56であった。
【0064】
(実施例4)
実施例4では、添加金属元素としてFeを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるFe添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0065】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.43であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、3.80であった。
【0066】
(実施例5)
実施例5では、添加金属元素としてYを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるY添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0067】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.44であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、3.95であった。
【0068】
(実施例6)
実施例6では、添加金属元素としてInを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるIn添加量は、Niを100at%と仮定した場合に、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0069】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.43であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、3.85であった。
【0070】
(実施例7)
実施例7では、添加金属元素としてAuおよびSnを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるAuおよびSn添加量のそれぞれは、Niを100at%と仮定した場合に、0.5at%と1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0071】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.53であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、4.77であった。
【0072】
(実施例8)
実施例8では、添加金属元素としてAuおよびCrを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるAuおよびCr添加量のそれぞれは、Niを100at%と仮定した場合に、0.5at%と1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0073】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.52であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、4.66であった。
【0074】
(実施例9)
実施例9では、添加金属元素としてAu、Sn、およびCrを用いた。外部電極用の金属ペーストにおけるAu、Sn、およびCr添加量のそれぞれは、Niを100at%と仮定した場合に、0.5at%、0.5at%、1.0at%とした。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0075】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。焼成後において、エンドマージンにおける(内部電極層における添加金属元素濃度)/(めっき層形成前の外部電極における添加金属元素濃度)は、0.54であった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、4.79であった。
【0076】
(比較例)
比較例では、外部電極用の金属ペーストに添加金属元素を添加しなかった。その他の条件は、実施例1と同様とした。
【0077】
焼成後の誘電体層の厚みは0.6μmであり、内部電極層の厚みは0.7μmであった。共材の直径と体積分布とから算出されるグラフの傾きmは、6.39であった。
【0078】
図8(a)は、実施例1の外部電極の断面のSEM写真をトレースした図である。
図8(b)は、比較例の外部電極の断面のSEM写真をトレースした図である。
図8(b)と比較すると、
図8(a)では、多くの共材17が外部電極中に残存していることがわかる。
【0079】
図9は、実施例1および比較例について、外部電極における共材の直径と体積分布とから算出されるグラフである。
図9に示すように、比較例に比べて、実施例1では傾きmが小さくなっていることがわかる。したがって、比較例と比べて実施例1では多くの共材が残存していることがわかる。これは、外部電極用の金属ペーストに添加金属元素を添加したからであると考えられる。なお、比較例では500個の共材をカウントし、実施例1では500個の共材をカウントした。
【0080】
(接合性)
実施例1~9および比較例について、内部電極層と外部電極との接合性を調べた。添加金属元素を添加していないNi単体の積層セラミックコンデンサと比較して、内部電極層と外部電極との接続状態を研磨断面像から確認を行った。例えば、200層の積層セラミックコンデンサであった場合、Ni単体の積層セラミックコンデンサと比較して、15%以上の接合状態の良化が確認できれば接合性が非常に良好「◎」と判定し、10%以上の接合状態の良化が確認できれば接合性が良好「〇」と判定し、10%未満で向上したことから、Ni単体と同等程度であれば接合性が不良「-」と判定した。比較例では接合性が不良と判定された。これは、外部電極における添加金属元素濃度を内部電極層における添加金属元素濃度よりも高くしたことで、比較例よりも添加金属元素が拡散したからであると考えられる。なお、ここで表現する接合状態とは、内部電極と外部電極が研磨断面画像上で接続している状態を示す。
【0081】
(クラック発生の有無)
実施例1~9および比較例のそれぞれについて、3000個のサンプルにおけるクラック発生の有無を調べた。クラックの発生は、実体顕微鏡を使用し、クラック発生の位置を確認した。サンプル発生率が0%(1個も確認できなければ)となっていればクラックの発生が「無」と判定し、1個でもクラックが確認できればクラックの発生が「有」と判定した。比較例では、クラックの発生が「有」と判定された。これは、比較例では外部電極用の金属ペーストに添加金属元素を添加しなかったために、焼結遅延効果が得られなかったからであると考えられる。これに対して、実施例1~9では、クラックの発生が「無」と判定された。これは、実施例1~9では外部電極用の金属ペーストに添加金属元素を添加したことで焼結遅延効果が十分に得られたからであると考えられる。
【0082】
(容量)
実施例1~9および比較例のそれぞれについて、容量を測定した。容量は、LCRメーターを使用し、0.5V、1kHzの条件で測定し、100個のサンプルの平均値を算出した。添加金属元素を添加していないNi単体の積層セラミックコンデンサと比較して、容量平均値が10%以上向上していれば容量が非常に良好「◎」と判定し、容量平均値が5%以上10%未満向上していれば容量が良好「〇」と判定し、容量平均値が5%未満向上していれば容量が不良「-」と判定した。比較例では容量が不良と判定された。これに対して、実施例1~9では、容量が非常に良好、または良好と判定された。これは、比較例よりも内部電極層の連続率が高く、内部電極層と外部電極との接合性も良好であったからであると考えられる。
【0083】
(信頼性)
実施例1~9および比較例のそれぞれについて、信頼性を調べた。信頼性については、6V-125℃のHALT試験を行なうことで判定した。HALT寿命については、100個のサンプルの平均値を算出した。添加金属元素を添加していないNi単体の積層セラミックコンデンサと比較して、寿命の平均値が2倍以上となっていれば信頼性が非常に良好「◎」と判定し、寿命の平均値が1.5倍以上となっていれば信頼性が良好「〇」と判定し、寿命の平均値が同等ないし1.5倍未満向上していれば信頼性が不良「-」と判定した。比較例では信頼性が不良と判定された。これに対して、実施例1~9では、信頼性が非常に良好、または良好と判定された。これは、比較例よりも内部電極層と外部電極との接合性も良好であったからであると考えられる。
【表1】
【表2】
【0084】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。