JP2005136132A - 積層コンデンサ - Google Patents

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    • H01G4/12Ceramic dielectrics

Abstract

【課題】 小型化しつつ高容量化を図るだけでなく、内部電極が多数層積層されても熱ストレスに強い積層コンデンサを得る。
【解決手段】 内部電極21、22がセラミック層で隔てられて相互に対向しつつ多数積層される構造に電極積層部16が形成される。電極積層部16の両端側である誘電体素体12の積層方向に対して直交して交差する方向に位置する端面12Aと内部電極21、22の端部との間に、左右マージン部20が配置される。電極積層部16の積層方向に位置する上下面12Cとこの面に最も近い内部電極21、22との間に、上下マージン部18が配置される。上下マージン部18の寸法M1及び左右マージン部20の寸法M2が50〜200μmの範囲の寸法とされ、寸法M1の平均値と寸法M2の平均値との間の差が、寸法M1の平均値の20%以内とされる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、小型化されつつ高容量化が図られるだけでなく、内部電極が多数層積層されても熱ストレスに強い積層コンデンサに係り、特に積層セラミックチップコンデンサに好適なものである。
セラミックによる誘電体層と内部電極とが積層されてサンドイッチ構造となっている積層セラミックチップコンデンサ等の積層コンデンサが従来より知られているが、このような積層コンデンサが搭載されることになる機器の小型化、高性能化に伴って、積層コンデンサの一層の小型化及び静電容量の高容量化が近年急速に進んでいる。そして、積層コンデンサを小型化しつつ高容量化するには、基本的に一層当たりの誘電体層の厚みを薄くして、より一層の多層化を図る必要がある。
一方、積層コンデンサの本体部分となる積層体内の誘電体層と内部電極とが積層された部分の上下左右の部分には、誘電体のみのマージン部が存在しているが、従来はこのマージン部の大きさを特に規定しておらず、積層コンデンサの製造工程内での歩留りを低下させない程度の寸法を有していた。
但し、積層コンデンサの製造に際しては、一般的に内部電極の上下部分の上下マージン部の寸法よりも、内部電極の左右部分の左右マージン部の寸法が相対的に広くされていたが、上記の積層コンデンサの小型化及び高容量化に伴う近年の誘電体層の薄層化、多層化に合わせて、この内部電極の無い上下マージン部及び左右マージン部を小さくする傾向にあった。
特開2000−124064公報
しかし、積層コンデンサの基板への装着時においてはんだ付け等の熱が積層体に加わることで、熱ストレスがこの積層体に生じるが、積層数が増えてマージン部が小さくなるのに従って、この熱ストレスに対して積層体が弱くなる傾向がみられるようになった。
本発明は上記事実を考慮し、小型化されつつ高容量化が図られるだけでなく、内部電極が多数層積層されても熱ストレスに強い積層コンデンサを提供することを目的とする。
第1の発明による積層コンデンサは、複数の内部電極間に層状の誘電体層がそれぞれ配置されてこれらが積層方向に沿って積層されると共に複数の内部電極の外周側に誘電体が配置されることで形成された積層体が、本体部分とされた積層コンデンサであって、
積層体の積層方向に位置する端面とこれら積層方向に位置する端面に最も近い内部電極との間に、内部電極が存在しない一対の上下マージン部がそれぞれ配置され、
積層体の積層方向に対して交差する方向に位置する端面と内部電極の端部との間に、内部電極が存在しない一対の左右マージン部がそれぞれ配置され、
これら上下マージン部の寸法及び左右マージン部の寸法がそれぞれ50〜200μmとされ、上下マージン部の寸法と左右マージン部の寸法との間の差が、上下マージン部の寸法の20%以内とされる。
第1の発明に係る積層コンデンサによれば、複数の内部電極間に層状の誘電体層がそれぞれ配置されてこれらが積層方向に沿って積層されると共に複数の内部電極の外周側に誘電体が配置されて積層体が形成されており、この積層体が積層コンデンサの本体部分を構成している。さらに、内部電極が存在しない一対の上下マージン部が、積層体の積層方向に位置する端面とこれら積層方向に位置する端面に最も近い内部電極との間にそれぞれ配置されており、また、内部電極が存在しない一対の左右マージン部が、積層体の積層方向に対して交差する方向に位置する端面と内部電極の端部との間にそれぞれ配置されている。
この際、これら上下マージン部の寸法及び左右マージン部の寸法がそれぞれ50〜200μmとされ、上下マージン部の寸法と左右マージン部の寸法との間の差が、上下マージン部の寸法の20%以内とされている。
つまり、第1の発明では、それぞれ内部電極が存在せず誘電体のみ存在する上下マージン部及び左右マージン部の寸法をそれぞれ50μm以上としたことで、これらマージン部の最低限の大きさが確保されて、これらマージン部の熱ストレスに対する強度を所定以上に維持できることになる。さらに、これら上下マージン部及び左右マージン部の寸法をそれぞれ200μm以下としたことで、これらマージン部の最大限の大きさが制限されて、必要以上に積層体が大きくなることを防止できる。
一方、上下マージン部の寸法と左右マージン部の寸法との間の差が、上下マージン部の寸法の20%以内とされていることで、上下マージン部の寸法と左右マージン部の寸法との間の比率が、相互にほぼ同一に近くなるように寸法が制御されて、上下マージン部と左右マージン部とで寸法が大きく相違しなくなった。従って、基板への装着時等において熱が加わっても、熱ストレスに対して積層体の上下マージン部と左右マージン部とでほぼ均一な強度が得られるので、最低限の体積でこの熱ストレスに伴う変形に対して最大限に耐えられる強度を有するようになった。
以上より、第1の発明によれば、小型化されつつ高容量化が図られるだけでなく、内部電極が多数積層されても、熱ストレスに対して積層体の各部で均一且つ所定以上の強度が得られて積層体にクラックが生じないようになるので、経時に伴って信頼性が低下することのない積層コンデンサが得られることになる。
第2の発明に係る積層コンデンサによれば、第1の発明の積層コンデンサと同様の構成の他に、一対の上下マージン部相互間の寸法の差及び、一対の左右マージン部相互間の寸法の差が、それぞれ20μm以下とされるという構成を有している。
従って、第1の発明と同様の作用が生じるだけでなく、一対の上下マージン部同士間及び一対の左右マージン部同士間でも、寸法の差がそれぞれ20μm以下とされて寸法の比率が相互にほぼ同一に近くなるように制御されることで、それぞれの寸法が大きく相違しないようになった。この結果として、積層体の周囲の4つのマージン部でほぼ均一な強度が得られるので、最低限の体積でより確実に熱ストレスに伴う変形に対して最大限に耐えられるようになった。
第3の発明に係る積層コンデンサによれば、第1の発明の積層コンデンサと同様の構成の他に、上下マージン部を形成する誘電体層の材質が内部電極間に位置する誘電体層の材質と同一とされるという構成を有している。従って、第1の発明と同様に積層体の上下マージン部と左右マージン部とでほぼ均一な強度が得られるという作用が生じるだけでなく、これらの材質が相互に同一とされることで、熱ストレスに対する材質自体の強度も均一化されて、最低限の体積で熱ストレスに最大限に耐えられる強度が、より確実に得られるようになる。
第4の発明に係る積層コンデンサによれば、第1の発明の積層コンデンサと同様の構成の他に、内部電極が、積層体の一端側に引き出される複数の第1内部電極と積層体の他端側に引き出される複数の第2内部電極とで構成され、これら第1内部電極と第2内部電極とが交互に配置される形で積層され、複数の第1内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の一端側の側面に第1端子電極が配置され、複数の第2内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の他端側の側面に第2端子電極が配置されるという構成を有している。
従って、第1の発明と同様の作用が生じるだけでなく、複数の第1内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の一端側の側面に第1端子電極が配置され、同じく複数の第2内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の他端側の側面に第2端子電極が配置され、これら端子電極を介して外部の回路基板に内部電極が接続されることで、第1内部電極と第2内部電極との間に位置することになる誘電体層によって、静電容量が確実に確保されるようになる。
第1〜第4の発明によれば、小型化されつつ高容量化が図られるだけでなく、内部電極が多数層積層されても熱ストレスに対して強くなって積層体にクラックを生じさせないので、経時に伴って信頼性が低下することのない積層コンデンサを得ることが可能となり、本発明は特に積層セラミックチップコンデンサに好適な発明である。
以下、本発明に係る積層コンデンサの一実施の形態を図面に基づき説明する。
図1から図5に示すように、誘電体シートであるセラミックグリーンシートを複数枚積層したものを焼成することで得られた直方体形状の積層体である誘電体素体12を本体部分として、本発明の一実施の形態に係る積層セラミックチップコンデンサである積層コンデンサ10が構成されている。
図1、図2及び図5に示すように、この誘電体素体12内の所定の高さ位置には、長方形に形成された第1内部電極である内部電極21が配置されており、この内部電極21の図2及び図5における右端側からは、内部電極21の幅と同一の寸法に形成された引出部21Aが引き出される形になっている。
また、誘電体素体12内において、セラミックグリーンシートが焼結されたものであるセラミック層14を隔てた内部電極21の下方には、長方形に形成された第2内部電極である内部電極22が配置されており、この内部電極22の図2及び図5における左端側からは、内部電極22の幅と同一の寸法に形成された引出部22Aが引き出される形になっている。
さらに、誘電体素体12内においてセラミック層14を隔てたこの内部電極22の下方には、上記の内部電極21と同様形状の内部電極21が、配置されており、誘電体素体12内においてセラミック層14を隔てたこの内部電極21の下方には、上記の内部電極22と同様形状の内部電極22が、配置されていて、以下同様にこれら内部電極21と内部電極22とが交互に配置される形で積層方向(図1、図2及び図5に表す矢印X方向)に沿って多数積層されている。尚、これらセラミック層14も長方形に形成されており、内部電極21、22はそれぞれ各セラミック層14のほぼ中央に位置していることになる。
以上より、これら内部電極21及び内部電極22が、誘電体層とされるセラミック層14で隔てられて相互に対向しつつ多数積層される構造とされ、これら複数の内部電極21、22間に層状のセラミック層14がそれぞれ配置された形に形成された図1及び図2に示す電極積層部16の上下部分に、セラミック層14のみが複数枚積層された構造の保護層である一対の上下マージン部18がそれぞれ配置されている。
そして、これら電極積層部16を含んだ形の複数枚のセラミック層14と一対の上下マージン部18とで直方体形状の誘電体素体12が形成されることになるが、これら上下マージン部18の材質は、電極積層部16を含んだ形の複数枚のセラミック層14の材質と同一とされている。この際、図1に示すこの積層体である誘電体素体12の幅寸法Wは、2mm以下の例えば0.8mmとされている。また、内部電極は内部電極21と内部電極22がそれぞれ50枚ずつ以上の例えば100層以上配置されているが、さらに多数層配置しても良く、これら内部電極の材質としては、例えばニッケル、ニッケル合金、銅或いは、銅合金が考えられる。
一方、図1に示すように、複数の内部電極21、22が存在する電極積層部16の両端側である誘電体素体12の積層方向に対して直交して交差する方向(図1及び図5に表す矢印Y方向)に位置する端面12Aと内部電極21、22の端部との間には、内部電極21、22が存在せずに誘電体とされる積層されたセラミック層14のみで形成された一対の左右マージン部20が、それぞれ配置された構造になっている。
他方、複数の内部電極21、22が存在する電極積層部16の積層方向に位置する端面である上下面12Cとこれら上下面12Cに最も近い内部電極21、22との間には、同様に内部電極21、22が存在せずに誘電体とされる積層されたセラミック層14のみで形成された前述の一対の上下マージン部18が、それぞれ配置された構造になっている。
そして、これら一対の上下マージン部18の寸法M1及び一対の左右マージン部20の寸法M2がそれぞれ50〜200μmの範囲の寸法とされており、また、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値と一対の左右マージン部20の寸法M2の平均値との間の差が、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値の20%以内とされている。さらに、本実施の形態では、これら一対の上下マージン部18相互間の寸法M1の差が、それぞれ20μm以下とされると共に、一対の左右マージン部20相互間の寸法M2の差が、それぞれ20μm以下とされている。
他方、誘電体素体12の一端側である右端側に引出部21Aが引き出されている内部電極21に、この引出部21Aを介してそれぞれ接続されるように、第1端子電極である端子電極31が、図2から図4に示すように誘電体素体12の右側の側面12Bに配置されている。また、誘電体素体12の他端側である左端側に引出部22Aが引き出されている内部電極22に、この引出部22Aを介してそれぞれ接続されるように、第2端子電極である端子電極32が、図2から図4に示すように誘電体素体12の左側の側面12Bに配置されている。
以上の結果として、本実施の形態に係る積層コンデンサ10では、直方体とされる誘電体素体12の左右の側面12Bに端子電極31、32がそれぞれ配置される構造になっている。さらに、これら一対の端子電極31、32が図示しない回路基板にはんだ等で接続されてこの積層コンデンサ10が回路基板上に搭載されることになる。
次に、本実施の形態に係る積層コンデンサ10の作用を説明する。
本実施の形態に係る積層コンデンサ10によれば、この積層コンデンサ10の本体部分を構成する誘電体素体12が直方体形状に形成されており、この誘電体素体12の右端側の側面12Bに引き出される複数の内部電極21とこの誘電体素体12の左端側の側面12Bに引き出される複数の内部電極22とが、間に層状のセラミック層14をそれぞれ挟みつつ、交互に配置される形で積層方向(図1、図2及び図5に表す矢印X方向)に沿って積層されている。
さらに、これら複数の内部電極21、22の外周側に、誘電体とされる積層されたセラミック層14のみで形成される部分が存在している。この為、内部電極21、22が存在しない一対の上下マージン部18が、誘電体素体12の積層方向に位置する端面である上下面12Cとこれら上下面12Cに最も近い内部電極21、22との間にそれぞれ配置されており、また、内部電極21、22が存在しない一対の左右マージン部20が、誘電体素体12の積層方向に対して直交して交差する方向(図1及び図5に表す矢印Y方向)に位置する端面12Aと内部電極21、22の端部との間にそれぞれ配置されることになる。
この際、これら上下マージン部18の寸法M1及び左右マージン部20の寸法M2がそれぞれ50〜200μmの範囲の寸法を有し、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値と一対の左右マージン部20の寸法M2の平均値との間の差が、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値の20%以内とされている。また、一対の上下マージン部18相互間の寸法M1の差及び、一対の左右マージン部20相互間の寸法M2の差は、それぞれ20μm以下とされている。
そして、本実施の形態では、複数の内部電極21にそれぞれ接続される形で誘電体素体12の右端側の側面12Bに端子電極31が配置されており、また、複数の内部電極22にそれぞれ接続される形で誘電体素体12の左端側の側面12Bに端子電極32が配置された構造になっている。
つまり、本実施の形態では、それぞれ内部電極21、22が存在せず誘電体のみ存在する上下マージン部18及び左右マージン部20の寸法M1、M2をそれぞれ50μm以上としたことで、これらマージン部の最低限の大きさが確保されて、これらマージン部の熱ストレスに対する強度を所定以上に維持できることになる。さらに、これら上下マージン部18及び左右マージン部20の寸法M1、M2をそれぞれ200μm以下としたことで、これらマージン部の最大限の大きさが制限されて、必要以上に誘電体素体12が大きくなることを防止できる。
一方、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値と一対の左右マージン部20の寸法M2の平均値との間の差が、一対の上下マージン部18の寸法M1の平均値の20%以内とされていることで、上下マージン部18の寸法M1と左右マージン部20の寸法M2との間の比率が相互にほぼ同一に近くなるように寸法が制御された形になって、上下マージン部18と左右マージン部20とで寸法が大きく相違しなくなった。
従って、基板への装着時等において熱が加わっても、熱ストレスに対して誘電体素体12の上下マージン部18と左右マージン部20とでほぼ均一な強度が得られるので、最低限の体積でこの熱ストレスに伴う変形に対して最大限に耐えられる強度を有するようになった。
以上より、本実施の形態によれば、小型化されつつ高容量化が図られるだけでなく、内部電極21、22が多数積層されても、熱ストレスに対して誘電体素体12の各部で均一且つ所定以上の強度が得られて誘電体素体12にクラックが生じないようになるので、経時に伴って信頼性が低下することのない積層コンデンサ10が得られることになる。
一方、本実施の形態では、一対の上下マージン部18相互間の寸法M1の差及び、一対の左右マージン部20相互間の寸法M2の差が、それぞれ20μm以下とされていて、寸法の比率が相互にほぼ同一に近くなるように制御されるので、それぞれの寸法が大きく相違しないようになった。この結果として、誘電体素体12の周囲の4つのマージン部でほぼ均一な強度が得られるので、最低限の体積でより確実に熱ストレスに伴う変形に対して最大限に耐えられるようになる。
また、本実施の形態では、上下マージン部18を形成するセラミック層14の材質が内部電極21、22間に位置するセラミック層14の材質と同一とされているので、誘電体素体12の左右マージン部20と上下マージン部18とでほぼ均一な強度が得られるという作用が生じるだけでなく、熱ストレスに対する材質自体の強度も均一化されて、最低限の体積で熱ストレスに最大限に耐えられる強度が、より確実に得られるようになる。
さらに、本実施の形態では、誘電体素体12の右端側に引き出される複数の内部電極21にそれぞれ接続される形で誘電体素体12の右端側の側面12Bに端子電極31が配置され、誘電体素体12の左端側に引き出される複数の内部電極22にそれぞれ接続される形で誘電体素体12の左端側の側面12Bに端子電極32が配置された構造になっている。
従って、複数ずつの内部電極21、22にそれぞれ接続される形で誘電体素体12の両側面12Bに端子電極31、32がそれぞれ配置され、これら端子電極31、32を介して外部の回路基板に内部電極21、22が接続されることで、内部電極21と内部電極22との間に位置することになるセラミック層14によって、静電容量が確実に確保されるようになる。
次に、本発明による効果を確認するために、熱ストレスで生じるクラックによる不良率を評価した結果を以下説明する。
つまり、一層当たりのセラミック層14の厚みが4μmとなるようにB特性材料を100層積層して、図3に示す長さ寸法Lが1.6mmで幅寸法Wが0.8mmとされる1608形状の本実施の形態のような積層コンデンサ10を試料とした。
この際、内部電極の存在しない上下マージン部18の寸法M1を60μmとし、同じく内部電極の存在しない左右マージン部20の寸法M2を、上下マージン部18の寸法M1を基準にして−30%、−20%、−10%、0%、+10%、+20%、+30%の比率にそれぞれした7種類の試料をそれぞれ複数作成した。またこれとは別に、上下マージン部18の寸法M1を200μmとし、左右マージン部20の寸法M2を、同様に上下マージン部18の寸法M1を基準にして−30%、−20%、−10%、0%、+10%、+20%、+30%の比率にそれぞれした7種類の試料をそれぞれ複数作成した。
さらに、これら各種の試料となる誘電体素体12に、製造時に用いたバインダを排出する為の脱バインダを270℃の温度で実施してから、1250℃の温度でこれら誘電体素体12を焼成した後、端子電極31、32をこれら誘電体素体12の側面12Bにそれぞれ配置して積層コンデンサ10を完成させた。
そして、熱ストレスの影響を検証する為、これら各試料となる積層コンデンサ10について、280℃の温度にて基板へのはんだ付けテスト(表1、表2ではサーマル試験と表す)を実施し、基板実装後における各1000個の試料についてクラックを目視することで耐クラック性を確認し、以下の表1に寸法M1を60μmとした試料についての結果を示し、また、表2に寸法M1を200μmとした試料についての結果を示した。
Figure 2005136132
この表1の結果より、左右マージン部20の寸法M2が42μmとされる「−30%」の試料及び、左右マージン部20の寸法M2が78μmとされる「+30%」の試料では、クラックが共に生じることが確認されたものの、上下マージン部18の寸法M1に対して、左右マージン部20の寸法M2を−20%から+20%の範囲内にした試料では、クラックが生じないようになり、この範囲でクラックを抑制できることが判明した。
Figure 2005136132
この表2の結果より、左右マージン部20の寸法M2が140μmとされる「−30%」の試料及び、左右マージン部20の寸法M2が260μmとされる「+30%」の試料では、クラックが共に生じることが確認されたものの、上下マージン部18の寸法M1に対して、左右マージン部20の寸法M2を−20%から+20%の範囲内にした試料では、上記表1と同様にクラックが生じないようになり、この範囲でクラックを抑制できることが上記表1と同様に判明した。
つまり、これらの評価結果より、上下マージン部18の寸法M1と左右マージン部20の寸法M2との間の差が、上下マージン部18の寸法M1の20%以内としたことによる本発明の効果が確認されたことになる。
尚、上記実施の形態に係る積層コンデンサ10の定格電圧としては50V以上とすることが考えられ、また、上記実施の形態に係る積層コンデンサ10は、100枚の内部電極21、22及び2つの端子電極31、32を有する構造とされているものの、層数、内部電極の枚数及び、端子電極の数は、これらの数に限定されず、さらに多数としても良い。
本発明の一実施の形態に係る積層コンデンサを示す断面図であって、図3の1−1矢視線断面に対応する図である。 本発明の一実施の形態に係る積層コンデンサを示す断面図であって、図3の2−2矢視線断面に対応する図である。 本発明の一実施の形態に係る積層コンデンサを示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る積層コンデンサを示す斜視図であって、一部破断した図である。 本発明の一実施の形態に係る積層コンデンサの分解斜視図である。
符号の説明
10 積層コンデンサ(積層セラミックチップコンデンサ)
12 誘電体素体(積層体)
14 セラミック層(誘電体層)
18 上下マージン部
20 左右マージン部
21 内部電極(第1内部電極)
22 内部電極(第2内部電極)
31 端子電極(第1端子電極)
32 端子電極(第2端子電極)

Claims (4)

  1. 複数の内部電極間に層状の誘電体層がそれぞれ配置されてこれらが積層方向に沿って積層されると共に複数の内部電極の外周側に誘電体が配置されることで形成された積層体が、本体部分とされた積層コンデンサであって、
    積層体の積層方向に位置する端面とこれら積層方向に位置する端面に最も近い内部電極との間に、内部電極が存在しない一対の上下マージン部がそれぞれ配置され、
    積層体の積層方向に対して交差する方向に位置する端面と内部電極の端部との間に、内部電極が存在しない一対の左右マージン部がそれぞれ配置され、
    これら上下マージン部の寸法及び左右マージン部の寸法がそれぞれ50〜200μmとされ、上下マージン部の寸法と左右マージン部の寸法との間の差が、上下マージン部の寸法の20%以内とされることを特徴とする積層コンデンサ。
  2. 一対の上下マージン部相互間の寸法の差及び、一対の左右マージン部相互間の寸法の差が、それぞれ20μm以下とされることを特徴とする請求項1記載の積層コンデンサ。
  3. 上下マージン部を形成する誘電体層の材質が内部電極間に位置する誘電体層の材質と同一とされることを特徴とする請求項1記載の積層コンデンサ。
  4. 内部電極が、積層体の一端側に引き出される複数の第1内部電極と積層体の他端側に引き出される複数の第2内部電極とで構成され、これら第1内部電極と第2内部電極とが交互に配置される形で積層され、
    複数の第1内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の一端側の側面に第1端子電極が配置され、
    複数の第2内部電極にそれぞれ接続される形で積層体の他端側の側面に第2端子電極が配置されることを特徴とする請求項1記載の積層コンデンサ。

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