(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】P2025097282
(43)【公開日】2025-06-30
(54)【発明の名称】積層型電子部品
(51)【国際特許分類】
H01G 4/30 20060101AFI20250623BHJP
【FI】
H01G4/30 201K
H01G4/30 201L
H01G4/30 512
H01G4/30 515
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024194674
(22)【出願日】2024-11-06
(31)【優先権主張番号】10-2023-0185093
(32)【優先日】2023-12-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】594023722
【氏名又は名称】サムソン エレクトロ-メカニックス カンパニーリミテッド.
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人RYUKA国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】キム、ゲオン ホイ
(72)【発明者】
【氏名】ヨーン、セオク ヒュン
(72)【発明者】
【氏名】クウォン、ヒュン ソーン
(72)【発明者】
【氏名】ユン、ビュン キル
(72)【発明者】
【氏名】コー、ボン ヒェオン
(72)【発明者】
【氏名】リー、ビュン ホ
(72)【発明者】
【氏名】キム、セ ヨン
(72)【発明者】
【氏名】ジャン、ミン ジュン
【テーマコード(参考)】
5E001
5E082
【Fターム(参考)】
5E001AB03
5E001AD00
5E001AE00
5E082AB03
5E082PP01
(57)【要約】 (修正有)
【課題】信頼性が向上した積層型電子部品を提供することである。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る積層型電子部品は、誘電体層111及び内部電極121、122を含む本体と、前記本体上に配置される外部電極と、を含み、前記誘電体層の平均厚さをtdμmとするとき、前記誘電体層は、tdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm
2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含む。本発明の一実施形態に係る積層型電子部品において、上記誘電体層は、1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm
2未満でありSiを含む二次相を5個以下含んでよい。本発明の一実施形態に係る積層型電子部品において、上記Siを含む二次相のSiの平均原子百分率は5at%以上20at%以下であってよい。
【選択図】
図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体層及び内部電極を含む本体と、
前記本体上に配置される外部電極と、を含み、
前記誘電体層の平均厚さをtdμmとするとき、
前記誘電体層は、tdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相を5個以上含む、積層型電子部品。
【請求項2】
前記誘電体層は、1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相を5個以下含む、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項3】
前記Siを含む二次相のSiの平均原子百分率は5at%以上20at%以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項4】
前記誘電体層は、コア、及び前記コアの少なくとも一部を囲むシェル構造のコア-シェル誘電体結晶粒を含み、
前記Siを含む二次相のSiの平均原子百分率は、前記シェルのSiの平均原子百分率より高い、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項5】
前記誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径は150nm以上220nm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項6】
前記誘電体層は、コア、及び前記コアの少なくとも一部を囲むシェル構造のコア-シェル誘電体結晶粒を含み、
前記コアの直径は90nm以上140nm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項7】
前記誘電体層はチタン酸バリウム(BaTiO3)系主成分を含む、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項8】
前記誘電体層は第1副成分元素をさらに含み、
前記第1副成分元素は、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Co、及びZnのうち一つ以上であり、
前記誘電体層に含まれたTi100モルに対する前記第1副成分元素のモル数は0.4モル以上0.8モル以下である、請求項7に記載の積層型電子部品。
【請求項9】
前記誘電体層は第2副成分元素をさらに含み、
前記第2副成分元素はMgであり、
前記誘電体層に含まれたTi100モルに対する前記第2副成分元素のモル数は0モル超過1モル以下である、請求項7に記載の積層型電子部品。
【請求項10】
前記誘電体層は第3副成分元素をさらに含み、
前記第3副成分元素は希土類元素であり、
前記誘電体層に含まれたTi100モルに対する前記第3副成分元素のモル数は2.5モル以上3.5モル以下である、請求項7に記載の積層型電子部品。
【請求項11】
前記誘電体層は第4副成分元素をさらに含み、
前記第4副成分元素はSiであり、
前記誘電体層に含まれたTi100モルに対する前記第4副成分元素のモル数は0.8モル以上2.0モル以下である、請求項7に記載の積層型電子部品。
【請求項12】
前記tdμmは10.0μm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項13】
前記積層型電子部品は、150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性を満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。
【請求項14】
前記積層型電子部品は、常温誘電率が2200以上である特性、誘電損失が10%以下である特性、150℃での絶縁抵抗が1.0E+6Ω以上である特性、25℃での静電容量を基準として-55℃~125℃での静電容量変化率が15%以下である特性、10V/μmの電界条件でのDC-bias変化率が70%以下である特性、及び150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性のうち、少なくとも一つの特性を満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層型電子部品に関する。
【背景技術】
【0002】
積層型電子部品の一つである積層セラミックキャパシタ(MLCC:Multi-Layered Ceramic Capacitor)は、液晶表示装置(LCD:Liquid Crystal Display)及びプラズマ表示装置パネル(PDP:Plasma Display Panel)などの映像機器、コンピュータ、スマートフォン、及び携帯電話などの様々な電子製品の印刷回路基板に装着され、電気を充電又は放電させる役割を果たすチップ型のコンデンサである。
【0003】
このような積層セラミックキャパシタは、小型でありながらも高容量が保障され、実装が容易であるという利点により、様々な電子装置の部品として使用されることができる。コンピュータ、モバイル機器など、各種の電子機器が小型化及び高出力化されるにつれて、積層セラミックキャパシタに対する小型化及び高容量化への要求が増大している。
【0004】
IT用MLCCだけでなく、電装用MLCCの市場が拡大するにつれて、同じ容量帯で定格電圧が高く信頼性に優れた製品の需要が増加している。一般に、結晶粒のサイズが小さく粒界が多いほど、誘電体の信頼性が向上することが知られている。MLCC誘電体組成の添加剤元素の中で、原子価固定アクセプタ、原子価可変アクセプタである遷移金属元素、そして、希土類元素が信頼性に与える影響は既知であり、一般に、これらを含む誘電体添加元素の組成比の最適化により良好な信頼性を有する条件を選定することになる。BME(Base Metal Electrode)MLCCが産業化されてから30年以上が経過する間に、信頼性を向上させるための組成最適化作業が継続的に進められており、そのような事例は多くの特許として既に報告されている。最近、同じ誘電体組成であっても、微細構造、添加剤元素の分布及び固溶の程度、及び工程条件に応じて信頼性において大きな差があることが報告されており、これに対する研究が活発に進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】韓国公開特許公報第10-2001-0029809号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が解決しようとするいくつかの課題の一つは、信頼性が向上した積層型電子部品を提供することである。
【0007】
本発明が解決しようとするいくつかの課題の一つは、X7R又はX7S特性を満たす積層型電子部品を提供することである。
【0008】
本発明が解決しようとするいくつかの課題の一つは、高温・高圧での加速寿命が向上した積層型電子部品を提供することである。
【0009】
本発明が解決しようとするいくつかの課題の一つは、静電容量が向上した積層型電子部品を提供することである。
【0010】
但し、本発明が解決しようとするいくつかの課題は上述した内容に限定されず、本発明の具体的な実施形態を説明する過程でより容易に理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一実施形態に係る積層型電子部品は、誘電体層及び内部電極を含む本体と、上記本体上に配置される外部電極と、を含み、上記誘電体層の平均厚さをtdμmとするとき、上記誘電体層は、tdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相を5個以上含むことができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明のいくつかの効果の一つは、積層型電子部品の信頼性を向上させることである。
【0013】
本発明のいくつかの効果の一つは、積層型電子部品のX7R又はX7S特性を満たすことである。
【0014】
本発明のいくつかの効果の一つは、積層型電子部品の高温・高圧での加速寿命を向上させることである。
【0015】
本発明のいくつかの効果の一つは、積層型電子部品の静電容量を向上させることである。
【0016】
但し、本発明の多様でありながらも有益な利点及び効果は上述した内容に限定されず、本発明の具体的な実施形態を説明する過程でより容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【
図1】本発明の一実施形態に係る積層型電子部品の斜視図を概略的に示す。
【
図2】内部電極の積層構造を示す分離斜視図を概略的に示す。
【
図3】
図1のI-I'線に沿った断面図を概略的に示す。
【
図4】
図1のII-II'線に沿った断面図を概略的に示す。
【
図7】コア-シェル誘電体結晶粒の模式図を概略的に示す。
【
図8】本発明の一実施形態の容量形成部の断面をTEMを用いて撮影したイメージを得た後、EDSモードによりSiをマッピング(mapping)したイメージである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、具体的な実施形態及び添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、通常の技術者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさ等は、より明確な説明のために誇張することができ、図面上の同じ符号で示される要素は同じ要素である。
【0019】
そして、図面において本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、図面に示した各構成の大きさ及び厚さは説明の便宜上、任意に示しているため、本発明は必ずしも図示したものに限定されない。なお、同一思想の範囲内の機能が同一である構成要素に対しては、同一の参照符号を用いて説明する。さらに、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」と言うとき、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
【0020】
図面において、第1方向は積層方向又は厚さT方向、第2方向は長さL方向、第3方向は幅W方向と定義されることができる。
【0021】
積層型電子部品
図1は、本発明の一実施形態に係る積層型電子部品の斜視図を概略的に示すものであり、
図2は、内部電極の積層構造を示す分離斜視図を概略的に示すものであり、
図3は、
図1のI-I'線に沿った断面図を概略的に示すものであり、
図4は、
図1のII-II'線に沿った断面図を概略的に示すものであり、
図5は、
図3のP領域の拡大図を概略的に示すものであり、
図6は、
図5のPM領域の拡大図を概略的に示すものであり、
図7は、コア-シェル誘電体結晶粒の模式図を概略的に示すものである。
【0022】
以下、
図1~
図7を参照して、本発明の一実施形態に係る積層型電子部品について詳細に説明する。但し、積層型電子部品の一例として積層セラミックキャパシタについて説明するが、本発明は、誘電体組成物を利用する様々な電子製品、例えば、インダクタ、圧電体素子、バリスタ、又はサーミスタなどにも適用することができる。
【0023】
本発明の一実施形態に係る積層型電子部品100は、誘電体層111及び内部電極121、122を含む本体110と、上記本体110上に配置される外部電極131、132と、を含み、上記誘電体層111の平均厚さをtdμmとするとき、上記誘電体層111は、tdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含むことができる。
【0024】
本体110は、誘電体層111及び内部電極121、122が交互に積層されていてもよい。
【0025】
より具体的に、本体110は、本体110の内部に配置され、誘電体層111を挟んで互いに対向するように交互に配置される第1内部電極121及び第2内部電極122を含んで容量を形成する容量形成部Acを含むことができる。
【0026】
本体110の具体的な形状に特に制限はないが、図示のように、本体110は六面体形状又はこれと類似の形状からなることができる。焼成過程で本体110に含まれたセラミック粒子の収縮により、本体110は完全な直線を有する六面体形状ではないが、実質的に六面体形状を有することができる。
【0027】
本体110は、第1方向に互いに対向する第1及び第2面1、2、第1及び第2面1、2と連結され、第2方向に互いに対向する第3及び第4面3、4、第1~第4面1、2、3、4と連結され、第3方向に互いに対向する第5及び第6面5、6を有することができる。
【0028】
本体110を形成する複数の誘電体層111は焼成された状態であって、隣接する誘電体層111間の境界は走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)を利用せずには確認しにくいほど一体化することができる。
【0029】
誘電体層111を形成する原料は、十分な静電容量が得られる限り限定されない。一般に、ペロブスカイト(ABO3)系材料を使用することができ、例えば、チタン酸バリウム系材料、鉛複合ペロブスカイト系材料又はチタン酸ストロンチウム系材料などを使用することができる。チタン酸バリウム系材料は、BaTiO3系セラミック粒子を含むことができ、セラミック粒子の例示として、BaTiO3、BaTiO3にCa(カルシウム)、Zr(ジルコニウム)等が一部固溶した(Ba1-xCax)TiO3(0<x<1)、Ba(Ti1-yCay)O3(0<y<1)、(Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3(0<x<1、0<y<1)又はBa(Ti1-yZry)O3(0<y<1)などが挙げられる。
【0030】
また、誘電体層111を形成する原料は、チタン酸バリウム(BaTiO3)などの粒子に、本発明の目的に応じて様々なセラミック添加剤、有機溶剤、結合剤、分散剤などを添加することができる。
【0031】
なお、誘電体層111は、チタン酸バリウム(BaTiO3)のような誘電体物質を用いて形成することができるため、焼成後に誘電体微細構造を含むことができる。誘電体微細構造は、複数の結晶粒、上記隣接する結晶粒の間に配置される結晶粒界、及び上記結晶粒界が3つ以上接する地点に配置される三重点を含むことができ、それぞれ複数個を含むことができる。
【0032】
また、複数の結晶粒のうち少なくとも一つは、コア11及びコア11の少なくとも一部を囲むシェル12構造のコア-シェル誘電体結晶粒10を含むことができ、コア-シェル構造ではない誘電体結晶粒を含むことができるが、特にこれに限定されるものではない。
【0033】
誘電体層111の厚さtdは特に限定する必要はない。
【0034】
積層型電子部品100の高電圧環境下での信頼性を確保するために、誘電体層111の厚さは10.0μm以下であってもよい。また、積層型電子部品100の小型化及び高容量化を達成するためには、誘電体層111の厚さは3.0μm以下であってもよく、超小型化及び高容量化をより容易に達成するために、誘電体層111の厚さは1.0μm以下であってもよく、好ましくは0.6μm以下であってもよく、より好ましくは0.4μm以下であってもよい。
【0035】
ここで、誘電体層111の厚さtdは、第1及び第2内部電極121、122の間に配置される誘電体層111の厚さtdを意味することができる。
【0036】
一方、誘電体層111の厚さtdは、誘電体層111の第1方向のサイズを意味することができる。また、誘電体層111の厚さtdは、誘電体層111の平均厚さtdを意味することができ、誘電体層111の第1方向の平均サイズを意味することができる。
【0037】
誘電体層111の第1方向の平均サイズは、本体110の第1及び第2方向の断面(cross-section)を、1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)でイメージをスキャンして測定することができる。より具体的に、一つの誘電体層111の第1方向の平均サイズは、スキャンされたイメージにおいて、一つの誘電体層111を第2方向に等間隔である10個の地点で第1方向のサイズを測定して計算した平均値を意味することができる。上記等間隔である10個の地点は容量形成部Acで指定することができる。また、このような平均値の測定を10個の誘電体層111に拡張して平均値を測定すると、誘電体層111の第1方向の平均サイズをさらに一般化することができる。
【0038】
内部電極121、122は誘電体層111と交互に積層されてもよい。
【0039】
内部電極121、122は第1内部電極121及び第2内部電極122を含むことができ、第1及び第2内部電極121、122は本体110を構成する誘電体層111を挟んで互いに対向するように交互に配置され、本体110の第3及び第4面3、4にそれぞれ露出することができる。
【0040】
より具体的に、第1内部電極121は第4面4と離隔し、第3面3を介して露出することができ、第2内部電極122は第3面3と離隔し、第4面4を介して露出することができる。本体110の第3面3には第1外部電極131が配置されて第1内部電極121と連結され、本体110の第4面4には第2外部電極132が配置されて第2内部電極122と連結されることができる。
【0041】
すなわち、第1内部電極121は第2外部電極132とは連結されず第1外部電極131と連結され、第2内部電極122は第1外部電極131とは連結されず第2外部電極132と連結されることができる。このとき、第1及び第2内部電極121、122は、中間に配置された誘電体層111によって互いに電気的に分離することができる。
【0042】
一方、本体110は、第1内部電極121が印刷されたセラミックグリーンシートと、第2内部電極122が印刷されたセラミックグリーンシートとを交互に積層した後、焼成して形成することができる。
【0043】
内部電極121、122を形成する材料は特に限定されず、電気伝導性に優れた材料を使用することができる。例えば、内部電極121、122は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、錫(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金のうち一つ以上を含むことができる。
【0044】
また、内部電極121、122は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、錫(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金のうち一つ以上を含む内部電極用導電性ペーストをセラミックグリーンシートに印刷して形成することができる。上記内部電極用導電性ペーストの印刷方法としては、スクリーン印刷法又はグラビア印刷法などを使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0045】
一方、内部電極121、122の厚さteは特に限定する必要はない。
【0046】
積層型電子部品100の高電圧環境下での信頼性を確保するために、内部電極121、122の厚さteは3.0μm以下であってもよい。また、積層型電子部品100の小型化及び高容量化を達成するために、内部電極121、122の厚さは1.0μm以下であってもよく、超小型化及び高容量化をより容易に達成するために、内部電極121、122の厚さは0.6μm以下であってもよく、より好ましくは0.4μm以下であってもよい。
【0047】
ここで、内部電極121、122の厚さteは、内部電極121、122の第1方向のサイズを意味することができる。また、内部電極121、122の厚さteは、内部電極121、122の平均厚さteを意味することができ、内部電極121、122の第1方向の平均サイズを意味することができる。
【0048】
内部電極121、122の第1方向の平均サイズは、本体110の第1及び第2方向の断面(cross-section)を、1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)でイメージをスキャンして測定することができる。より具体的に、一つの内部電極の第1方向の平均サイズは、スキャンされたイメージにおいて、一つの内部電極を第2方向に等間隔である10個の地点で第1方向のサイズを測定して計算した平均値であることができる。上記等間隔である10個の地点は容量形成部Acで指定することができる。また、このような平均値の測定を10個の内部電極に拡張して平均値を測定すると、内部電極の第1方向の平均サイズをさらに一般化することができる。
【0049】
一方、本発明の一実施形態において、複数の誘電体層111のうち少なくとも一つの平均厚さtdと、複数の内部電極121、122のうち少なくとも一つの平均厚さteは、2×te<tdを満たすことができる。
【0050】
言い換えれば、誘電体層111の一つの平均厚さtdは、内部電極121、122の一つの平均厚さteの2倍よりさらに大きくてもよい。好ましくは、複数の誘電体層111の平均厚さtdは、複数の内部電極121、122の平均厚さteの2倍よりさらに大きくてもよい。
【0051】
一般に、高電圧電装用電子部品は、高電圧環境下で絶縁破壊電圧(Breakdown Voltage、BDV)の低下による信頼性の問題が主なイシューである。
【0052】
したがって、高電圧環境下で絶縁破壊電圧の低下を防止するために、誘電体層111の平均厚さtdを内部電極121、122の平均厚さteの2倍よりも大きくすることにより、内部電極間の距離である誘電体層の厚さを増加させることができ、絶縁破壊電圧特性を向上させることができる。
【0053】
誘電体層111の平均厚さtdが内部電極121、122の平均厚さteの2倍以下である場合には、内部電極間の距離である誘電体層の平均厚さが薄くなり、絶縁破壊電圧が低下することがあり、内部電極間の短絡が発生する可能性がある。
【0054】
一方、本体110は、容量形成部Acの第1方向の両端面(end-surface)上に配置されるカバー部112、113を含むことができる。
【0055】
具体的に、容量形成部Acの第1方向の一面に配置される第1カバー部112、及び容量形成部Acの第1方向の他面に配置される第2カバー部113を含むことができる。より具体的には、容量形成部Acの第1方向の上部に配置される上部カバー部112、及び容量形成部Acの第1方向の下部に配置される下部カバー部113を含むことができる。
【0056】
上部カバー部112及び下部カバー部113は、単一の誘電体層111又は2つ以上の誘電体層111を容量形成部Acの上下面にそれぞれ第1方向に積層して形成することができ、基本的に物理的又は化学的ストレスによる内部電極121、122の損傷を防止する役割を果たすことができる。
【0057】
上部カバー部112及び下部カバー部113は、内部電極121、122を含まず、誘電体層111と同じ材料を含むことができる。すなわち、上部カバー部112及び下部カバー部113はセラミック材料を含むことができ、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)系セラミック材料を含むことができる。
【0058】
一方、カバー部112、113の厚さtcは特に限定する必要はない。
【0059】
但し、積層型電子部品の小型化及び高容量化をより容易に達成するために、カバー部112、113の厚さtcは100μm以下であってもよく、好ましくは30μm以下であってもよく、超小型製品では、より好ましくは20μm以下であってもよい。
【0060】
ここで、カバー部112、113の厚さtcは、カバー部112、113の第1方向のサイズを意味することができる。また、カバー部112、113の厚さtcは、カバー部112、113の平均厚さtcを意味し、カバー部112、113の第1方向の平均サイズを意味することができる。
【0061】
カバー部112、113の第1方向の平均サイズは、本体110の第1及び第2方向の断面(cross-section)を、1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)でイメージをスキャンして測定することができる。より具体的に、一つのカバー部をスキャンしたイメージにおいて、第2方向に等間隔である10個の地点で第1方向のサイズを測定して計算した平均値を意味することができる。
【0062】
なお、上述した方法で測定したカバー部の第1方向の平均サイズは、本体110の第1及び第3方向の断面(cross-section)において、カバー部の第1方向の平均サイズと実質的に同じサイズを有することができる。
【0063】
一方、積層型電子部品100は、本体110の第3方向の両端面(end-surface)上に配置されるサイドマージン部114、115を含むことができる。
【0064】
より具体的に、サイドマージン部114、115は、本体110の第5面5に配置された第1サイドマージン部114及び本体110の第6面6に配置された第2サイドマージン部115を含むことができる。
【0065】
サイドマージン部114、115は、図示のように、本体110の第1及び第3方向の断面(cross-section)を基準として、第1及び第2内部電極121、122の第3方向の両端面(end-surface)と本体110の境界面との間の領域を意味することができる。
【0066】
サイドマージン部114、115は、容量形成部Acに適用されるセラミックグリーンシート上にサイドマージン部114、115が形成される箇所を除いて、導電性ペーストを塗布して内部電極121、122を形成し、内部電極121、122による段差を抑制するために、積層後の内部電極121、122が本体110の第5及び第6面5、6に露出するように切断した後、単一の誘電体層111又は2つ以上の誘電体層111を容量形成部Acの第3方向の両端面(end-surface)上に第3方向に積層して形成することもできる。
【0067】
サイドマージン部114、115は、基本的に物理的又は化学的ストレスによる内部電極121、122の損傷を防止する役割を果たすことができる。
【0068】
第1サイドマージン部114及び第2サイドマージン部115は、内部電極121、122を含まず、誘電体層111と同じ材料を含むことができる。すなわち、第1サイドマージン部114及び第2サイドマージン部115はセラミック材料を含むことができ、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)系セラミック材料を含むことができる。
【0069】
一方、第1及び第2サイドマージン部114、115の幅wmは特に限定する必要はない。
【0070】
但し、積層型電子部品100の小型化及び高容量化をより容易に達成するために、サイドマージン部114、115の幅wmは100μm以下であってもよく、好ましくは30μm以下であってもよく、超小型製品では、より好ましくは20μm以下であってもよい。
【0071】
ここで、サイドマージン部114、115の幅wmは、サイドマージン部114、115の第3方向のサイズを意味することができる。また、サイドマージン部114、115の幅wmは、サイドマージン部114、115の平均幅wmを意味することができ、サイドマージン部114、115の第3方向の平均サイズを意味することができる。
【0072】
サイドマージン部114、115の第3方向の平均サイズは、本体110の第1及び第3方向の断面(cross-section)を、1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)でイメージをスキャンして測定することができる。より具体的に、一つのサイドマージン部をスキャンしたイメージにおいて、第1方向に等間隔である10個の地点で第3方向のサイズを測定して計算した平均値を意味することができる。
【0073】
本発明の一実施形態では、積層型電子部品100が2つの外部電極131、132を有する構造について説明しているが、外部電極131、132の個数や形状などは、内部電極121、122の形態やその他の目的に応じて変更することができる。
【0074】
外部電極131、132は本体110上に配置され、内部電極121、122と連結されることができる。
【0075】
より具体的に、外部電極131、132は、本体110の第3及び第4面3、4にそれぞれ配置され、第1及び第2内部電極121、122とそれぞれ連結される第1及び第2外部電極131、132を含むことができる。すなわち、第1外部電極131は本体の第3面3に配置されて第1内部電極121と連結されることができ、第2外部電極132は本体の第4面4に配置されて第2内部電極122と連結されることができる。
【0076】
また、外部電極131、132は、本体110の第1及び第2面1、2上の一部に延びて配置されることができ、又は本体110の第5及び第6面5、6上の一部に延びて配置されることができる。すなわち、第1外部電極131は、本体110の第1、第2、第5、第6面1、2、5、6上の一部、及び本体110の第3面3上に配置されることができ、第2外部電極132は、本体110の第1、第2、第5、第6面1、2、5、6上の一部、及び本体110の第3面3上に配置されることができる。
【0077】
一方、外部電極131、132は、金属などのように電気伝導性を有するものであれば、如何なる物質を用いて形成されてもよく、電気的特性、構造的安定性などを考慮して具体的な物質が決定されてもよく、さらに多層構造を有してもよい。
【0078】
例えば、外部電極131、132は、本体110に配置される電極層及び電極層上に配置されるめっき層を含むことができる。
【0079】
電極層に対するより具体的な例を挙げると、電極層は、第1導電性金属及びガラスを含む焼成電極である第1電極層131a、132aを含むか、又は第2導電性金属及び樹脂を含む樹脂系電極である第2電極層131b、132bを含むことができる。
【0080】
ここで、第1電極層131a、132aに含まれた導電性金属を第1導電性金属と呼び、第2電極層131b、132bに含まれた導電性金属を第2導電性金属と呼ぶことができる。このとき、第1導電性金属及び第2導電性金属は互いに同一又は異なってもよく、複数の導電性金属を含む場合、一部のみが同じ導電性金属を含んでもよいが、特にこれに限定されるものではない。
【0081】
また、電極層131a、132a、131b、132bは、本体110上に焼成電極及び樹脂系電極が順次に形成された形態であってもよい。
【0082】
また、電極層131a、132a、131b、132bは、本体上に導電性金属を含むシートを転写する方式で形成されるか、又は焼成電極上に導電性金属を含むシートを転写する方式で形成されたものであってもよい。
【0083】
電極層131a、132a、131b、132bに含まれる導電性金属として電気伝導性に優れた材料を用いることができ、例えば、導電性金属としては、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、錫(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金からなる群から選択された一つ以上を含むことができるが、特にこれに限定されない。
【0084】
本発明の一実施形態において、電極層131a、132a、131b、132bは、第1電極層131a、132a及び第2電極層131b、132bを含む2層の構造を有することができ、これにより、外部電極131、132は、第1導電性金属及びガラスを含む第1電極層131a、132a、並びに上記第1電極層131a、132a上に配置され、第2導電性金属及び樹脂を含む第2電極層131b、132bを含むことができる。
【0085】
第1電極層131a、132aはガラスを含むことにより、本体110との接合性を向上させる役割を果たし、第2電極層131b、132bは樹脂を含むことにより、曲げ強度を向上させる役割を果たすことができる。
【0086】
第1電極層131a、132aに含まれる第1導電性金属は、静電容量の形成のために上記内部電極121、122と電気的に連結できる材質であれば特に限定されず、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、錫(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。
【0087】
第1電極層131a、132aは、第1導電性金属粒子にガラスフリット(glass frit)を添加して設けられた導電性ペーストを塗布した後、焼成することにより形成することができる。
【0088】
第2電極層131b、132bに含まれる第2導電性金属は、第1電極層131a、132aと電気的に連結されるようにする役割を果たすことができる。
【0089】
第2電極層131b、132bに含まれる導電性金属は、電極層131a、132aと電気的に連結できる材質であれば特に限定されず、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、錫(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。
【0090】
第2電極層131b、132bに含まれる第2導電性金属は、球状粒子及びフレーク状粒子のうち1以上を含むことができる。すなわち、第2導電性金属はフレーク状粒子のみからなるか、又は球状粒子のみからなることができ、フレーク状粒子と球状粒子とが混合された形態であることもできる。ここで、球状粒子は、完全な球状ではない形態も含むことができ、例えば、長軸と短軸の長さ比率(長軸/短軸)が1.45以下の形態を含むことができる。フレーク状粒子とは、平たくかつ細長い形態を有する粒子を意味し、特に限定されるものではないが、例えば、長軸と短軸の長さ比率(長軸/短軸)が1.95以上であってもよい。上記球状粒子及びフレーク状粒子の長軸と短軸の長さは、積層型電子部品の第3方向の中央部で切断した第1及び第2方向の断面(cross-section)を走査電子顕微鏡(SEM)でスキャンして得られたイメージから測定することができる。
【0091】
第2電極層131b、132bに含まれる樹脂は、接合性の確保及び衝撃吸収の役割を果たすことができる。第2電極層131b、132bに含まれる樹脂は、接合性及び衝撃吸収性を有し、第2導電性金属粒子と混合してペーストを作製することができるものであれば特に限定されず、例えば、エポキシ系樹脂を含むことができる。
【0092】
また、第2電極層131b、132bは、複数の第2導電性金属粒子、金属間化合物(intermetallic compound)及び樹脂を含むことができる。金属間化合物を含むことにより、第1電極層131a、132aとの電気的連結性をより向上させることができる。上記金属間化合物は、複数の金属粒子を連結して電気的連結性を向上させる役割を果たし、複数の金属粒子を囲んで互いに連結する役割を果たすことができる。
【0093】
このとき、金属間化合物は、樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属を含むことができる。すなわち、金属間化合物が樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属を含むため、樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属が乾燥及び硬化工程を経る過程で溶融し、金属粒子の一部と金属間化合物を形成して金属粒子を囲むようになる。このとき、金属間化合物は、好ましくは300℃以下の低融点金属を含むことができる。
【0094】
例えば、213~220℃の融点を有するSnを金属間化合物として含むことができる。乾燥及び硬化工程を経る過程でSnが溶融し、溶融したSnがAg、Ni又はCuのような高融点の金属粒子を毛細管現象により湿らせ、Ag、Ni又はCu金属粒子の一部と反応してAg3Sn、Ni3Sn4、Cu6Sn5、Cu3Snなどの金属間化合物を形成する。反応に関与しなかったAg、Ni又はCuは金属粒子の形態で残る。
【0095】
したがって、上記複数の第2導電性金属粒子は、Ag、Ni及びCuのうち一つ以上を含み、上記金属間化合物は、Ag3Sn、Ni3Sn4、Cu6Sn5及びCu3Snのうち一つ以上を含むことができる。
【0096】
めっき層131c、132cは、実装特性を向上させる役割を果たすことができる。
【0097】
めっき層131c、132cの種類は特に限定されず、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)及びこれらの合金のうち一つ以上を含む単一層のめっき層131c、132cであってもよく、複数の層で形成されてもよい。
【0098】
めっき層131c、132cに対するより具体的な例を挙げると、めっき層131c、132cは、Niめっき層又はSnめっき層であってもよく、電極層上にNiめっき層及びSnめっき層が順次に形成された形態であってもよく、Snめっき層、Niめっき層及びSnめっき層が順次に形成された形態であってもよい。また、めっき層131c、132cは、複数のNiめっき層及び/又は複数のSnめっき層を含んでもよい。
【0099】
積層型電子部品100のサイズは特に限定する必要はない。
【0100】
但し、小型化及び高容量化を同時に達成するためには、誘電体層及び内部電極の厚さを薄くして積層数を増加させなければならないため、3216(長さ×幅:3.2mm×1.6mm)サイズ以下の積層型電子部品100において本発明による効果がより顕著になり得る。
【0101】
以下では、本発明の一実施形態に係る積層型電子部品100についてより具体的に説明する。
【0102】
一方、本発明において、誘電体層111は、Siを含む二次相141を含むことができ、より具体的に、Siを含む二次相141は、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aと、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bとを含むことができる。但し、特別な事情がない限り、Siを含む二次相141に対する説明は、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141a及び断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bに対する説明に該当することができる。
【0103】
本発明の一実施形態に係る積層型電子部品100において、誘電体層111の平均厚さをtdμmとするとき、誘電体層111はtdμm×tdμmの領域内の断面積が0.01μm2以上であり、Siを含む二次相141aを5個以上含むことができる。
【0104】
誘電体層111はtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含むことにより、高温加速寿命信頼性を向上させることができる。高温加速寿命信頼性についてより具体的に例を挙げると、150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性を満たすことができる。
【0105】
また、高温加速寿命信頼性の向上だけでなく、常温誘電率が2200以上である特性、誘電損失が10%以下である特性、150℃での絶縁抵抗が1.0E+6Ω以上である特性、25℃での静電容量を基準として-55℃~125℃での静電容量変化率が15%以下である特性、10V/μmの電界条件でのDC-bias変化率が70%以下である特性、及び150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性のうち少なくとも一つの特性を満たすことができる。
【0106】
高温加速寿命信頼性を向上させるためには、誘電体層111のtdμm×tdμmの領域内における、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aの個数の上限は特に限定されず、他の特性が低下することを防止するためには、誘電体層111のtdμm×tdμmの領域内における、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aの個数が53個以下であることができる。
【0107】
誘電体層111がtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個未満含む場合、高温加速寿命信頼性が低下するおそれがある。
【0108】
本発明において、積層型電子部品100の各構成に含まれた元素の含量を測定するより具体的な方法の一例として、破壊工法の場合、走査電子顕微鏡(SEM)のエネルギー分散X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy、EDS)モード、透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)のEDSモード、又は走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope、STEM)のEDSモードを用いて成分を分析することができる。まず、測定しようとする領域において、集束イオンビーム(Focused Ion Beam、FIB)装備を用いて薄片化された分析試料を準備する。そして、薄片化された試料の表面のダメージ層を、キセノン(Xe)又はアルゴン(Ar)イオンミリング(ion milling)を用いて除去し、その後、SEM-EDS、TEM-EDS、又はSTEM-EDSを用いて得られたイメージで測定しようとする各成分をマッピング(mapping)して定性/定量分析を行う。この場合、各成分の定性/定量分析グラフは、各元素の質量百分率(wt%)、原子百分率(at%)、又はモル百分率(mol%)に換算して表すこともできる。このとき、特定成分のモル数に対する他の特定成分のモル数を換算して表すことができる。
【0109】
さらに他の方法としては、チップを粉砕して測定しようとする領域を選別し、このように選別された誘電体微細構造が含まれた部分について、誘導結合プラズマ分光分析器(ICP-OES)、誘導結合プラズマ質量分析器(ICP-MS)等の装置を用いて該当領域の成分を分析することができる。
【0110】
本発明の一実施形態の容量形成部の断面を概略的に示す
図5、
図6及び本発明の一実施形態の容量形成部の断面をTEMを用いて撮影したイメージを得た後EDSモードによりSiをマッピング(mapping)したイメージである
図8を例に挙げて、Siを含む二次相141を測定する方法についてより具体的に説明すると、本体110の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)を、SEM、TEM、又はSTEMのEDSモードでSiをマッピング(mapping)したとき、誘電体層111で観察されるSiの集合領域をSiを含む二次相141と定義することができる。
【0111】
すなわち、誘電体層111の平均厚さをtdμmとするとき、誘電体層111のtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含むというのは、本体110の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)をSEM、TEM、又はSTEMで撮影したイメージにおいて、誘電体層111の平均厚さ(第1方向の平均サイズ)をtdμmと定義することができ、SEM、TEM、又はSTEMで撮影したイメージにおいてEDSモードでSiをマッピング(mapping)したとき、誘電体層111のうち第1方向にtdμmのサイズ及び第2方向にtdμmのサイズを有する領域(面積)内において、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含むことを意味することができる。
【0112】
このとき、誘電体層111の全ての領域において誘電体層111のtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含む条件を満たす必要はなく、誘電体層111の任意のtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aが5個以上含まれると、高温加速寿命信頼性を向上させることができるが、誘電体層111の全ての領域において誘電体層111のtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aが5個以上含まれることが好ましい。
【0113】
ここで、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aの断面積は、イメージ分析プログラムである「Image Pro Plus」のプログラムフィルタ機能を適用して、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141a以外の周辺のSiのノイズ(noise)を除去した後に測定することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【0114】
このような、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aの断面積を測定する方法は、後述する断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bにも同様に適用できることは、通常の技術者に自明であるといえる。
【0115】
なお、本発明において、「二次相(secondary-phase)」とは、ペロブスカイト系(ABO3)誘電体粒子とは異なる組成又は結晶格子を有する粒子又は偏析(segregation)を意味することができ、誘電体結晶粒に固溶していない成分の集合体を意味することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【0116】
すなわち、二次相は、チタン酸バリウム(BaTiO3)系誘電体物質の結晶粒の結晶格子構造に固溶又は置換されていない元素の集合体を意味することができ、Siを含む二次相141は、チタン酸バリウム(BaTiO3)系主成分である誘電体結晶粒の結晶格子構造に固溶又は置換されていないSiを含む元素の集合体を意味することができる。
【0117】
また、誘電体層111は、1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bを5個以下含むことができる。
【0118】
誘電体層111は1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bが5個以下含まれることで、高温加速寿命信頼性をより向上させることができる。より向上した高温加速寿命信頼性についてより具体的な例を挙げると、150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が200時間以上である特性を満たすことができる。
【0119】
高温加速寿命信頼性の向上のためには、誘電体層111の1μm×1μmの領域内における、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bの個数の下限は特に限定されないが、他の特性が低下することを防止するために、誘電体層111の1μm×1μmの領域内における、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bの個数は1個以上であってもよい。
【0120】
本体110の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)をSEM、TEM、又はSTEMで撮影したイメージにおいてEDSモードでSiをマッピング(mapping)したとき、誘電体層111うち第1方向に1μmのサイズと第2方向に1μmのサイズを有する領域(面積)内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bを5個以下含むことを意味することができる。
【0121】
このとき、誘電体層111の全ての領域において、誘電体層111の1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bを5個以下含む条件を満たす必要はなく、誘電体層111の任意の1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bが5個以下含まれると、高温加速寿命信頼性をより向上させることができるが、誘電体層111の全ての領域において、誘電体層111の1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bが5個以下含まれることが好ましい。
【0122】
このとき、誘電体層111はtdμm×tdμmの領域内に、断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aを5個以上含み、tdμm×tdμmの領域のうち1μm×1μmの領域内に、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bを5個以下含む場合、高温加速寿命信頼性はより一層向上することができる。
【0123】
一方、Siを含む二次相141は、チタン酸バリウム(BaTiO3)系誘電体結晶粒の組成と異なることがあり、チタン酸バリウム(BaTiO3)系誘電体結晶粒の結晶格子に固溶していないさらに別の相(phase)又は結晶粒(grain)を意味することができる。
【0124】
例えば、上述のように、誘電体層111は、コア11及びコア11の少なくとも一部を囲むシェル12構造のコア-シェル誘電体結晶粒10を含むことができる。このとき、コア11又はシェル12はSiを含むことができ、Siを含む二次相141のSiの平均原子百分率は、コア11のSiの平均原子百分率より高くてもよく、又はSiを含む二次相141のSiの平均原子百分率は、シェル12のSiの平均原子百分率より高くてもよい。また、Siを含む二次相141のBa及びTiのそれぞれの平均原子百分率は、コア11のBa及びTiのそれぞれの平均原子百分率より高くてもよく、又はSiを含む二次相141のBa及びTiのそれぞれの平均原子百分率は、シェル12のBa及びTiのそれぞれの平均原子百分率より高くてもよい。さらに、コア11、シェル12、又はSiを含む二次相141は、Alを含むことができるが、Siを含む二次相141のAlの平均原子百分率は、コア11のAlの平均原子百分率より高くてもよく、又はSiを含む二次相141のAlの平均原子百分率は、シェル12のAlの平均原子百分率より高くてもよい。
【0125】
また、ここで、Siを含む二次相141に含まれた各元素の平均原子百分率は、Siを含む二次相141の一つの領域内の3点(point)以上で測定された各元素の原子百分率の平均値を意味することができ、コア11又はシェル12に含まれた各元素の平均原子百分率は、同じコア11又はシェル12に含まれた各元素の5点(point)以上で測定された各元素の原子百分率の平均値を意味することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【0126】
より具体的に、Siを含む二次相141のSiの平均原子百分率は5at%以上20at%以下であってもよく、好ましくは8at%以上16at%以下であってもよい。
【0127】
Siを含む二次相141のSiの平均原子百分率が5at%以上20at%以下を満たすことにより、高温加速寿命信頼性は向上することができる。
【0128】
Siを含む二次相141のSiの平均原子百分率が5at%未満の場合、高温加速寿命信頼性が低下したり、絶縁抵抗が低下するおそれがあり、Siを含む二次相141のSiの平均原子百分率が20at%を超える場合、高温加速寿命信頼性には優れるが、常温誘電率が低下するおそれがある。
【0129】
一方、誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径は、150nm以上220nm以下であってもよい。
【0130】
これは、母材サイズが100nmである粉末を焼成した結果に相当し得るが、特にこれに限定されるものではない。
【0131】
誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径が150nm以上220nm以下を満たすことにより、高温加速寿命信頼性をより向上させることができ、常温誘電率、誘電損失(DF)、絶縁抵抗(IR)、又はDC-bias特性に優れることができる。
【0132】
誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径が150nm未満の場合、常温誘電率が低下するおそれがあり、誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径が220nmを超える場合、高温加速寿命信頼性が低下したり、誘電損失(DF)、絶縁抵抗(IR)、又はDC-bias特性が低下するおそれがある。
【0133】
誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均直径は、例えば、本体110の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)の10μm×10μmの領域を基準として、誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の直径の平均に相当することができる。ここで、誘電体結晶粒の直径とは、誘電体結晶粒の中心を通る任意の直線のサイズを意味することができ、より具体的には、誘電体結晶粒の中心を通る第1方向への直線のサイズを意味することができ、これらを平均した値は複数の誘電体結晶粒の平均直径に相当し得るが、特にこれに限定されるものではない。
【0134】
また、コア-シェル誘電体結晶粒10において、コア11の直径は90nm以上140nm以下であってもよい。
【0135】
コア-シェル誘電体結晶粒10において、コア11の直径が90nm以上140nm以下を満たすことにより、高温加速寿命信頼性を向上させることができ、目標とする常温誘電率、誘電損失(DF)、絶縁抵抗(IR)、X7R特性(TCC特性)、又はDC-bias特性のうち少なくとも一つを満たすことができる。
【0136】
コア-シェル誘電体結晶粒10において、コア11の直径が90nm未満の場合、高温加速寿命信頼性が低下したり、目標とする常温誘電率を満たさないおそれがあり、コア-シェル誘電体結晶粒10において、コア11の直径が140nmを超える場合、絶縁抵抗(IR)が低下するおそれがある。
【0137】
コア-シェル誘電体結晶粒10においてコア11の直径は、例えば、本体110の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)の10μm×10μmの領域を基準として、EDSモードを介して希土類元素、例えば、ジスプロシウム(Dy)又はテルビウム(Tb)をマッピング(mapping)したとき、誘電体層111に含まれたコア-シェル誘電体結晶粒10のコア11の直径のサイズを意味することができる。ここで、コア11の直径は、コア11の中心を通る任意の直線のサイズを意味することができ、より具体的には、コア11の中心を通る第1方向への直線のサイズを意味することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【0138】
一方、上述したように、誘電体層111は、ペロブスカイト(ABO3)主成分、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)系誘電体物質を主成分として含むことができ、副成分をさらに含むことができ、より具体的には、以下の第1~第4副成分をさらに含むことができる。
【0139】
a)第1副成分
本発明の一実施形態によれば、誘電体層111は第1副成分元素をさらに含むことができ、第1副成分元素は原子価可変アクセプタ元素であることができる。原子価可変アクセプタ元素はMn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Co、及びZnのうち一つ以上であってもよく、好ましくは、Mn及びVのうち少なくとも一つであってもよく、より好ましくはMn及びVであってもよい。
【0140】
第1副成分は、原子価可変アクセプタ元素の酸化物又は炭酸塩のうち一つ以上であってもよく、焼成前の主成分原料に共に添加されてもよい。
【0141】
第1副成分元素である原子価可変アクセプタ元素は、焼成温度の低下、誘電特性、絶縁抵抗(IR)及び高温加速寿命特性を向上させる役割を果たすことができる。
【0142】
このとき、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第1副成分元素のモル数は0.4モル以上0.8モル以下であることができ、複数の第1副成分元素が添加された場合、これらを合わせた総含量を第1副成分元素のモル数と定義することができる。
【0143】
誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第1副成分元素の含量が0.4モル未満の場合には、絶縁抵抗(Insulation Resistance、IR)が低下するおそれがあり、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第1副成分元素の含量が0.8モルを超える場合には、DC-bias変化率が低下するおそれがある。
【0144】
b)第2副成分
本発明の一実施形態によれば、誘電体層111は第2副成分元素をさらに含むことができ、第2副成分元素はMgであることができる。
【0145】
第2副成分は、Mgの酸化物及び炭酸塩のうち一つ以上であってもよく、焼成前の主成分原料に共に添加されてもよい。
【0146】
第2副成分元素であるMgは、耐還元性を付与し、RC(Reliability Class)値を高める役割を果たすことができる。ここで、RC値は、温度による信頼性、高温での信頼性、高電圧での信頼性、寿命評価などを意味することができる。
【0147】
このとき、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第2副成分元素のモル数は、0モル超過1モル以下であってもよい。
【0148】
誘電体層111に第2副成分元素が添加されない場合、例えば、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第2副成分元素の含量が0モルの場合、信頼性が低下するおそれがあり、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第2副成分元素の含量が1モルを超える場合、X7R温度特性(25℃での静電容量値を基準として、-55℃~125℃での静電容量変化率が-15%以上15%以下)を満たさないおそれがある。
【0149】
c)第3副成分
本発明の一実施形態によれば、誘電体層111は第3副成分元素をさらに含むことができ、第3副成分元素は希土類元素であることができる。希土類元素はY、Dy、Tb、Gd、Ce、Nd、La及びYbのうち少なくとも一つを含んでもよく、好ましくはDy及びTbのうち少なくとも一つであってもよく、より好ましくはDy及びTbであってもよい。
【0150】
第3副成分元素である希土類元素は、高温加速寿命を向上させる役割を果たすことができ、信頼性を向上させる役割を果たすことができる。
【0151】
第3副成分は、希土類元素の酸化物及び炭酸塩のうち一つ以上であってもよく、焼成前の主成分原料に共に添加されてもよい。
【0152】
このとき、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第3副成分元素のモル数は、2.5モル以上3.5モル以下であってもよい。
【0153】
誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第3副成分元素のモル数が2.5モル未満の場合、高温加速寿命が低下するおそれがあり、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第3副成分元素のモル数が3.5モルを超える場合、誘電体のn型半導体化により絶縁抵抗(IR)が低下したり、高温加速寿命が低下するおそれがある。
【0154】
d)第4副成分
本発明の一実施形態によれば、誘電体層111は第4副成分元素をさらに含むことができ、第4副成分元素はSiであることができる。
【0155】
第4副成分は、Siの酸化物、Siの炭酸塩及びSiを含むガラスのうち少なくとも一つであってもよく、焼成前の主成分原料に共に添加されてもよい。
【0156】
第4副成分元素であるSiは焼結助剤の役割を果たすことができ、誘電体結晶粒の粒成長を誘導する役割を果たすことができ、絶縁抵抗(IR)又は高温加速寿命を向上させる役割を果たすことができる。
【0157】
このとき、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第4副成分元素のモル数は、0.8モル以上2.0モル以下であってもよい。
【0158】
誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第4副成分元素のモル数が0.8モル未満の場合、絶縁抵抗(IR)が低下したり、高温加速寿命が低下するおそれがあり、誘電体層111に含まれたTi100モルに対する第4副成分元素のモル数が2.0モルを超える場合、常温誘電率が低下するおそれがある。
【0159】
本発明の一実施形態に係る積層型電子部品100は、150℃の温度条件及び10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性を満たすことができる。
【0160】
また、本発明の一実施形態に係る積層型電子部品100は、常温誘電率が2200以上である特性、誘電損失が10%以下である特性、150℃での絶縁抵抗が1.0E+6Ω以上である特性、25℃での静電容量を基準として-55℃~125℃での静電容量変化率が15%以下である特性、10V/μmの電界条件でのDC-bias変化率が70%以下である特性、及び150℃の温度条件と10V/μmの電界条件での平均故障時間(MTTF)が100時間以上である特性のうち、少なくとも一つの特性を満たすことができる。
【0161】
当該特性の満足の有無については、以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、これは、本発明の具体的な理解を助けるためのものであって、本発明の範囲が実施例によって限定されるものではない。
【0162】
(実施例)
表1、3、5は、主成分の母材サイズ、焼成温度、及び第1~第4副成分元素の含量を記載したものである。母材サイズの単位はnmであり、焼成温度は℃であり、第1~第4副成分元素は添加剤の種類および第1~第4副成分元素のモル数を示す。例えば、第1-1試験例において、第1副成分元素MnO2の0.2モルはMn 0.2モル、第1副成分元素V2O5の0.2モルはV0.2モル、第2副成分元素MgCO3の0.6モルはMg0.6モル、第3副成分元素Dy2O3の3.0モルはDy3.0モル、第3副成分元素Tb4O7の0.2モルはTb0.2モル、第4副成分元素SiO2の1.2モルはSi1.2モルに相当する。
【0163】
主成分の母材として、平均粒径が100、150、200nmのBaTiO3粉末を使用した。ジルコニアビーズ(beads)を混合/分散メディア(media)として用いて、表1、3、及び5に明示された組成に相当する副成分元素を含む原料粉末と、主成分のBaTiO3粉末をエタノール/トルエン溶媒、そして分散剤と共に混合して10時間ミリング(milling)し、バインダーを混合した後、さらに5時間ミリング(milling)してスラリー(slurry)を作製した。このように製造されたスラリーは、シート(sheet)製造用成形機を用いて3.0μmと10μmの厚さで成形シートを製造した。その後、成形シートにニッケル(Ni)内部電極印刷を行った。上・下部のカバーは、カバー用シート(10μm以上13μm以下の厚さ)を25層に積層して作製し、21層の印刷されたシートを加圧して積層してバー(bar)を作製した。圧着バーは、切断機を用いて3216(長さ×幅:3.2mm×1.6mm)サイズのチップ(chip)に切断した。作製が完了した3216サイズのMLCCチップに対してか焼を行った後、還元雰囲気0.1%H2/99.9%N2~0.5%H2/99.5%N2(H2O/H2/N2雰囲気)で1150℃~1200℃の温度で維持時間2時間の条件で焼成した後、1000℃のN2雰囲気で3時間再酸化を行った。ここで、0.1%のH2濃度は、酸素分圧測定器において850℃の測定環境で起電力670mVの条件に相当し、そして0.5%のH2濃度は起電力760mVの条件に相当する。焼成されたチップに対して銅(Cu)ペーストでターミネーション(termination)工程及び電極焼成を経て外部電極を完成した。これにより、焼成後の誘電体層の厚さは約2.0μmであり、内部電極間の誘電体層の層数が20層である3216サイズのMLCCチップを作製した。
【0164】
表2、4、6のAは、本体の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)を基準として、容量形成部中の誘電体層の平均厚さをtdとしたとき、誘電体層のtdμm×tdμmの領域のうち断面積が0.01μm2以上でありSiを含む二次相141aの個数に相当し、Bは、本体の第3方向の中心における第1及び第2方向の断面(cross-section)を基準として、容量形成部中の誘電体層の1μm×1μmの領域のうち、断面積が0.01μm2未満でありSiを含む二次相141bの個数に相当する。
【0165】
誘電率及び誘電損失(DF)は、MLCCチップの常温静電容量をLCR meterを用いて1kHz、AC0.5V/μmの条件で容量又は容量変化率を測定し、静電容量とMLCCチップの誘電体層の厚さ、内部電極の面積、誘電体層の積層数からMLCCチップの誘電率を計算して記載したものである。誘電率は2200以上の場合、優れると評価し、2200未満の場合は不良と評価した。誘電損失(DF)は10%以下の場合、優れると評価し、10%を超える場合は不良と評価した。
【0166】
IR(常温絶縁抵抗)は、サンプルを10個ずつ取り、150℃の温度での絶縁抵抗値を測定して記載したものである。IRは、1.0E+6Ω以上の場合、優れると評価し、1.0E+6Ω未満の場合は不良と評価した。
【0167】
TCC特性(温度による静電容量の変化)は、25℃での静電容量を基準として、-55℃~125℃の温度範囲で静電容量変化率を測定して記載した。TCC特性は、-55℃~125℃の温度範囲で静電容量変化率が-15%以上+15%以下の場合、優れると評価し、これを外れた場合は不良と評価した。
【0168】
DC-bias変化率は、サンプルを10個ずつ取り、DC10V/μmを印加した状態で60秒経過後の容量を測定して容量変化率を記載したものである。DC-bias変化率は、-70%以上の場合(すなわち、基準容量に対する容量変化減少率が-70%~0%であることを意味する)、優れると評価し、-70%未満の場合は不良と評価した。
【0169】
MTTFは、加速寿命評価(Highly Accelerated Life Time Test、HALT)で進行し、各試験例当たり40個の試験片に対して150℃で電界40V/μmに相当する電圧を印加し、故障が発生する時間を測定して平均時間(Mean Time to Failure、MTTF)を算出して記載したものである。MTTFは、100時間以上の場合は優れると評価し、200時間以上の場合、非常に優れると評価し、100時間未満の場合は不良と評価した。
【0170】
【0171】
【0172】
表1の試験例1-1~3-4は、主成分BaTiO3の100molに対して第1副成分元素であるMn、Vの合計が0.4モル、第2副成分元素であるMgの含量が0.6モル、第3副成分元素である希土類元素Dy、Tbの合計が3.2モル、第5副成分Siの含量が1.2モルであるとき、BaTiO3の平均サイズ及び焼成温度による試験例を示し、表2の試験例1-1~3-4は、これらの試験例に相当するサンプルの特性を示す。母材サイズ100nm、150nm、200nmともに焼成温度1160℃で、母材サイズ200nmは本焼成温度1170℃でも(試験例1-1、2-1、3-1、3-2)粒成長及び緻密化が十分に起こらず、本発明の目標特性である誘電率≧2200、IR≧1.0E+6Ω、MTTF≧100hrsを満たすことができなかった。
【0173】
焼成条件に応じて微細構造及び誘電特性、信頼性特性の変化が大きい。1160℃のサンプルとは異なり、1170℃、1180℃の焼成温度を有する場合(試験例1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)、粒成長と緻密化が正常範囲で起こるため、誘電率、常温IR、DC-bias変化率、MTTFなどを満たすことが分かる。しかし、母材サイズに応じてMTTF値の差が顕著に現れる。同じ焼成温度であっても、母材サイズ100nmのBaTiO3を適用したMLCCが、150nm、200nmのBaTiO3を適用したMLCCに比べてMTTFが2倍高いことが確認できた。Aが10個以上である試験例は、100nmのBaTiO3を適用したMLCCであるのに対し、150nm、200nmのBaTiO3を適用したMLCCは、Aが0~4個と明確な差を示している。また、Bの個数に関して、100nmのBaTiO3を適用したMLCCは2~3個、150nmのBaTiO3を適用したMLCCは6~15個であり、これも大きな差を示している。このようなA及びBの個数の差によりMTTFが大幅に向上することが確認できる。
【0174】
母材サイズ100nm、150nmで作製されたMLCCは、焼成温度1190℃では、いずれも過大な粒成長のためDF>10%、MTTF<100hrsとなり、本発明の目標を満たさないことが分かる。200nmの母材MLCCの場合には、1190℃でも適正な焼成温度であるため、誘電率、IR、MTTFなど、本発明の目標数値に到達したが、大きなサイズのBaTiO3母材を使用したため、DC-bias変化率は目標から外れる傾向にあることが確認できる。
【0175】
【0176】
【0177】
表3の試験例4-1~5-5は、主成分のBaTiO3母材100molに対する第4副成分元素の含量及び母材サイズの変化による試験例を示し、表4は、これらの試験例4-1~5-5に相当するサンプルの特性を示す。第4副成分元素であるSiの含量が1モル以下である場合(試験例4-1、5-1)、A値が低いか又は存在しないため、本発明のMTTFの目標値である100時間を超えないことが確認された。第4副成分元素であるSiを1.2モル~2モルまで増量するほど(試験例4-2、4-3、4-4、5-2、5-3、5-4)誘電率が低くなるが、目標特性である2200以上を維持し、MTTF特性も満たすことが確認できる。また、A値が10個以上、B値が5個以下である(試験例4-2、4-3、4-4)サンプルの特性を確認した結果、目標条件を満たさないサンプル(試験例5-2、5-3、5-4)に比べてMTTF特性が100~200%ほど増加したことが確認できる。第4副成分元素であるSiの含量が3モルと、過剰添加の組成サンプル(試験例4-5、5-5)の場合には、絶縁抵抗の高い第4副成分元素Siの影響により、加速寿命が非常に高い一方、誘電率が目標特性に及ばなかったことが分かる。
【0178】
【0179】
【0180】
表5の試験例6-1~7-4は、主成分のBaTiO3母材100molに対して母材サイズ及び第1副成分元素と第3副成分元素の含量変化による試験例を示し、表6は、これらの試験例6-1~7-4に相当するサンプルの特性を示す。第1副成分元素である原子価可変元素Mn、Vが存在しないサンプルは、材料内部にトラップサイト(Trap site)が著しく少ないため、IRが本発明の目標値よりも低い(試験例6-1、7-1)。しかし、試験例6-1は、7-1に比べてA値が高く、B値が低いため、MTTFがより高く評価された。試験例6-2~6-4の場合、A値が10個以上、B値が5個以下であり、本発明の高温信頼性の目標特性であるMTTF≧100hrsを満たすことが確認できる。しかし、試験例6-4は、第1副成分元素の総和が過剰投入された組成であって、DC-bias変化率が-70%以上となり、本発明の目標に到達できないことを確認した。試験例7-2~7-4は、試験例6-2~6-4と同様の組成であるが、A値及びB値において明確な差があることが確認できる。すなわち、A値が10個以上、B値が5個以下の条件を満たすことができず、高温加速寿命においても大きな差があることが分かる。
【0181】
試験例8-1~9-4は、母材サイズ及び第3副成分元素の含量変化による試験例を示したものである。第3副成分元素である希土類元素を増量するほど誘電率が減少し、材料内部のn型化が起こるため、IRが減少することが分かる。しかし、高温加速寿命の評価では、酸素空孔の移動度(mobility)を弱めて、MTTFが向上する現象を確認することができる。試験例8-1、8-2、9-1、9-2は、第3副成分元素が少量添加されたMLCCサンプルであって、第3副成分元素が3モル添加された試験例8-3、9-3よりも高温加速寿命が減少した。実際に、第3副成分元素である希土類元素が添加されて信頼性が向上する現象が確認できる。これには、希土類元素の酸素空孔mobilityの抑制効果もあるが、希土類元素及びSiを含む二次相(pyrochlore)が形成されて信頼性を高める効果も存在するものと予測される。また、試験例8-3の場合、9-3に比べてA値が高く、同じ組成であってもMTTFが約2.4倍程度の差を示すことが確認できる。第3副成分元素である希土類元素が4モル添加されたサンプル(試験例8-4、9-4)は、誘電体が過度にn型化されてIRが大きく悪化する結果を示し、本発明の特性条件を満たさないことが確認できる。
【0182】
以上のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるものとする。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で、当技術分野における通常の知識を有する者により様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属するといえる。
【0183】
また、本発明において使用される「一実施形態」という表現は、互いに同じ実施形態を意味するものではなく、それぞれ互いに異なる固有の特徴を強調して説明するために提供されたものである。しかし、上記提示された一実施形態は、他の一実施形態の特徴と結合して実現されることを排除しない。例えば、特定の一実施形態において説明された事項が他の一実施形態に説明されていなくても、他の一実施形態においてその事項と反対又は矛盾する説明がない限り、他の一実施形態に関連する説明として理解することができる。
【0184】
本発明において使用される用語は、単に一実施形態を説明するために使用されたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。このとき、単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。
【符号の説明】
【0185】
10:コア-シェル誘電体結晶粒
11:コア
12:シェル
100:積層型電子部品
110:本体
111:誘電体層
112、113:カバー部
114、115:サイドマージン部
121、122:内部電極
131、132:外部電極
141a、141b:Siを含む二次相