JP2013118357A - セラミック電子部品及びその製造方法 - Google Patents

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清恭 桜田
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貴史 金山
Masashi Otani
真史 大谷
Naoki Shimizu
直樹 清水
Seiji Katsuta
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Abstract

【課題】機械的耐久性に優れたセラミック電子部品を提供する。
【解決手段】セラミック電子部品は、セラミック素体と、外部電極とを備えている。外部電極は、セラミック素体の上に配されている。外部電極は、第1の導電層と第2の導電層とを有する。第1の導電層は、樹脂と、第1の金属成分と、第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分とを含む。第2の導電層は、第1の導電層の上に配されている。第2の導電層は、めっき膜からなる。第1の金属成分と第2の金属成分とを含む合金粒子が第1の導電層の表面から第2の導電層側に突出している。
【選択図】図6

Description

本発明は、セラミック電子部品及びその製造方法に関する。
近年、積層セラミックコンデンサに代表されるセラミック電子部品は、従来に比べてより過酷な環境下で使用されるようになってきている。
例えば、携帯電話、携帯音楽プレーヤーなどのモバイル機器に用いられるセラミック電子部品に対しては、落下時の衝撃に耐え得ることが求められている。具体的には、落下衝撃を受けても、実装基板から電子部品が脱落し難く、電子部品にクラックが生じ難くする必要がある。
また、ECUなどの車載機器に用いられる電子部品に対しては、熱サイクルの衝撃に耐え得ることが求められている。具体的には、熱サイクルを受けて実装基板が熱膨張収縮することにより発生するたわみ応力を受けても、セラミック電子部品や、実装用の半田にクラックが生じ難くする必要がある。
このような要求を満足するために、従来の焼成型導電ペーストに替えて、熱硬化性導電ペーストを用いて、樹脂を含む外部電極を形成することが提案されている。例えば特許文献1には、高融点の導電粒子、各々、融点が300℃以下である金属粉末及び樹脂を含む熱硬化性導電ペーストを用いて形成された第1の導電層と、第1の導電層の上に形成されており、めっき膜からなる第2の導電層とを有する外部電極を備えるセラミック電子部品が記載されている。
WO2004/053901号公報
特許文献1に記載のセラミック電子部品では、第1の導電層と第2の導電層との密着性が低く、第1の導電層と第2の導電層とが剥離しやすいという問題がある。
本発明は、機械的耐久性に優れたセラミック電子部品を提供することを主な目的とする。
本発明に係るセラミック電子部品は、セラミック素体と、外部電極とを備えている。外部電極は、セラミック素体の上に配されている。外部電極は、第1の導電層と第2の導電層とを有する。第1の導電層は、樹脂と、第1の金属成分と、第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分とを含む。第2の導電層は、第1の導電層の上に配されている。第2の導電層は、めっき膜からなる。第1の金属成分と第2の金属成分とを含む合金粒子が第1の導電層の表面から第2の導電層側に突出している。
本発明に係るセラミック電子部品のある特定の局面では、第1の金属成分がSnである。第2の金属成分がAgである。
本発明に係るセラミック電子部品の他の特定の局面では、合金粒子は、Sn−Ag合金を含む。
本発明に係るセラミック電子部品の製造方法では、セラミック素体の表面の上に、樹脂、第1の金属成分を含む第1の金属フィラー、及び、第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分を含む第2の金属フィラーを含む電極層を形成する。電極層を加熱し、第1の金属成分と第2の金属成分とを含む合金粒子を表面から突出させ、合金粒子が表面から突出した第1の導電層を形成する加熱工程を行う。第1の導電層の上に、めっきにより第2の導電層を形成する。
本発明に係るセラミック電子部品のある特定の局面製造方法では、加熱工程において、電極層を、非酸化性雰囲気下において、480℃以上に加熱する。
本発明に係るセラミック電子部品の他の特定の局面製造方法では、加熱工程において、電極層を800℃未満の温度に加熱する。
本発明に係るセラミック電子部品の別の特定の局面製造方法では、第1の金属成分がSnである。第2の金属成分がAgである。
本発明によれば、機械的耐久性に優れたセラミック電子部品を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るセラミック電子部品の略図的斜視図である。 本発明の一実施形態に係るセラミック電子部品の長さ方向L及び厚み方向Tに沿った略図的断面図である。 図2のIII部分の略図的断面図である。 図2のIV部分の略図的断面図である。 本発明の一実施形態におけるセラミック電子部品の製造工程を説明するための略図的断面図である。 実験例5における第1の導電層の電子顕微鏡写真である。 剥離強度の測定方法を説明するための模式的平面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
(セラミック電子部品1の構成)
図1は、本実施形態に係るセラミック電子部品の略図的斜視図である。図2は、本実施形態に係るセラミック電子部品の長さ方向L及び厚み方向Tに沿った略図的断面図である。図3は、図2のIII部分の略図的断面図である。図4は、図2のIV部分の略図的断面図である。まず、図1〜図4を参照しながら、本実施形態に係るセラミック電子部品1の構成について説明する。
セラミック電子部品1は、セラミック素体10を備えている。セラミック素体10は、直方体状である。セラミック素体10は、長さ方向L及び幅方向Wに沿って延びる第1及び第2の主面10a、10bと、厚み方向T及び長さ方向Lに沿って延びる第1及び第2の側面10c、10dと、厚み方向T及び幅方向Wに沿って延びる第1及び第2の端面10e、10fを有する。
なお、本発明において、「直方体状」には、角部や稜線部が丸められた直方体が含まれるものとする。すなわち、「直方体状」の部材とは、第1及び第2の主面、第1及び第2の側面並びに第1及び第2の端面とを有する部材全般を意味する。また、主面、側面、端面の一部または全部に凹凸などが形成されていてもよい。
セラミック素体10は、適宜のセラミックスからなる。セラミック素体10を構成するセラミックスの種類は、所望するセラミック電子部品1の特性に応じて適宜選択することができる。
例えば、セラミック電子部品1が、コンデンサ(積層セラミックコンデンサ)である場合は、セラミック素体10を誘電体セラミックスにより形成することができる。誘電体セラミックスの具体例としては、例えば、BaTiO、CaTiO、SrTiO、CaZrO、MgTiO、MgTiO−CaTiO、TiO、CaTiO、SrTiO、BaTiO−Nd−TiOなどが挙げられる。
例えば、セラミック電子部品1が、圧電部品である場合は、セラミック素体10を圧電セラミックスにより形成することができる。圧電セラミックスの具体例としては、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系セラミックなどが挙げられる。
例えば、セラミック電子部品1が、サーミスタである場合は、セラミック素体10を半導体セラミックスにより形成することができる。半導体セラミックスの具体例としては、例えば、スピネル系セラミックなどが挙げられる。
例えば、セラミック電子部品1が、インダクタである場合は、セラミック素体10を磁性体セラミックスにより形成することができる。磁性体セラミックスの具体例としては、例えば、フェライトセラミックなどが挙げられる。
図2〜図4に示されるように、セラミック素体10の内部には、略矩形状の複数の第1及び第2の内部電極25,26が厚み方向Tに沿って等間隔に交互に配置されている。第1及び第2の内部電極25,26のそれぞれは、第1及び第2の主面10a、10bと平行である。第1及び第2の内部電極25,26は、厚み方向Tにおいて、セラミック層10gを介して、互いに対向している。なお、セラミック層10gの厚みは、例えば、0.5μm〜10μm程度であることが好ましい。
第1及び第2の内部電極25,26は、端部がセラミック素体10の表面に引き出されている。詳細には、第1の内部電極25は、第1の端面10eに露出しており、第1及び第2の主面10a、10b、第2の端面10f並びに第1及び第2の側面10c、10dには露出していない。第2の内部電極26は、第2の端面10fに露出しており、第1及び第2の主面10a、10b、第1の端面10e並びに第1及び第2の側面10c、10dには露出していない。詳細には、第1及び第2の内部電極25,26の端部は、第1または第2の端面10e、10fから少しだけ後退している。
第1及び第2の内部電極25,26は、例えば、Ni、Cu、Ag、Pd、Auなどの金属や、Ag−Pd合金等の、それらの金属の少なくとも一種を含む合金などの適宜の導電材料により構成することができる。
第1及び第2の内部電極25,26のそれぞれの厚みは、例えば、0.2μm〜2.0μm程度であることが好ましい。
セラミック素体10の表面の上には、第1及び第2の外部電極13,14が配されている。具体的には、第1の外部電極13は、第1の内部電極25が露出した第1の端面10eを覆うように配されている。第1の外部電極13は、第1及び第2の主面10a、10b並びに第1及び第2の側面10c、10dに至るように設けられている。第1の外部電極13は、第1の内部電極25に電気的に接続されている。
第2の外部電極14は、第2の内部電極26が露出した第2の端面10fを覆うように配されている。第2の外部電極14は、第1及び第2の主面10a、10b並びに第1及び第2の側面10c、10dに至るように設けられている。第2の外部電極14は、第2の内部電極26に電気的に接続されている。
第1及び第2の外部電極13,14のそれぞれは、第1の導電層15と、第2の導電層16とを有する。第1の導電層15は、セラミック素体10の表面の直上に設けられている。具体的には、第1の導電層15は、第1または第2の端面10e、10fを覆い、第1及び第2の主面10a、10b並びに第1及び第2の側面10c、10dに至るように設けられている。もっとも、第1の導電層15は、第1または第2の端面10e、10fの上のみに配されていてもよい。
第1の導電層15の厚みは、例えば、5.0μm〜70.0μm程度であることが好ましい。
第2の導電層16は、第1の導電層15の上に配されている。第1の導電層15は、第2の導電層16により実質的に被覆されている。第2の導電層16は、めっき膜により構成されている。第2の導電層16は、単一のめっき膜により構成されていてもよいし、複数のめっき膜の積層体により構成されていてもよい。具体的には、例えば、第2の導電層16は、第1の導電層15の上に配されており、バリア層としても機能するNiめっき層と、Niめっき層の上に配されており、半田濡れ性に優れたSnやAuを含むめっき層との積層体により構成されていてもよい。第2の導電層16を構成するめっき層1層あたりの厚みは、例えば1μm〜15μm程度であることが好ましい。
第1の導電層15は、第1の金属成分と、第2の金属成分と、樹脂とを含む。第1の導電層15は、樹脂を含むため、例えばめっき膜や導電性ペーストの焼成物からなる導電層よりも柔軟性に富んでいる。このため、セラミック電子部品1に物理的な衝撃や熱サイクルに起因する衝撃が加わった場合であっても、第1の導電層15が緩衝層として機能し、セラミック電子部品1が損傷しにくく、また、セラミック電子部品1を実装している半田も損傷しにくい。
第1の導電層15に添加する好ましい樹脂の具体例としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
硬化後の第1の導電層15における樹脂の含有量は、46体積%〜77体積%であることが好ましい。
第1の金属成分の融点が相対的に低く、第2の金属成分の融点が相対的に高い。第1の金属成分の融点は、例えば550℃以下であることが好ましく、180℃〜340℃であることがさらに好ましい。第2の金属成分の融点は、例えば850℃〜1050℃であることが好ましい。
第1の金属成分は、例えばSn、In、Biや、これらの金属の少なくとも一種を含む合金からなることが好ましい。なかでも、第1の金属成分は、SnまたはSnを含む合金からなることがより好ましい。Snを含む合金の具体例としては、例えば、Sn−Ag、Sn−Bi、Sn−Ag−Cu等が挙げられる。
硬化後の第1の導電層15における第1の金属成分の含有量は、8体積%〜18体積%であることが好ましい。
第2の金属成分は、例えばAg、Pd、Pt、Auなどの金属やこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなることが好ましい。なかでも、第2の金属成分は、Agや、Ag−Pd合金などのAg合金からなることがより好ましい。
第1の導電層15における第2の金属成分の含有量は、19体積%〜25体積%であることが好ましい。
第1の導電層15は、第1の導電層15の第2の導電層16側の表面15aから、第2の導電層16側に突出している合金粒子を有する。合金粒子は、第1の金属成分と第2の金属成分とを含む。第1の金属成分がSnであり、第2の金属成分がAgである場合は、合金粒子は、Sn−Ag合金を含んでいてもよい。
合金粒子の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、0.5μm〜10μm程度とすることができる。
合金粒子の比重は、7.3〜10.5程度であってもよい。
合金粒子の形状は、球状であってもよいが、球状以外の形状であってもよい。
(セラミック電子部品1の製造方法)
次に、セラミック電子部品1の製造方法の一例について説明する。
まず、第1及び第2の内部電極25,26を有するセラミック素体10を準備する。具体的には、まず、セラミック粉末を含むセラミックペーストを、例えばスクリーン印刷法などによりシート状に塗布し、乾燥させることにより、セラミックグリーンシートを作製する。次に、セラミックグリーンシートの上に、内部電極形成用の導電ペーストを、例えばスクリーン印刷法などにより所定のパターンに塗布し、内部電極形成用導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートと、内部電極形成用導電パターンが形成されていないセラミックグリーンシートとを用意する。なお、セラミックペーストや、内部電極形成用の導電ペーストには、例えば公知のバインダーや溶媒が含まれていてもよい。
次に、内部電極形成用導電パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを所定枚数積層し、その上に、内部電極形成用導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートを順次積層し、さらに、内部電極形成用導電パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを所定枚数積層することにより、マザー積層体を作製する。必要に応じて、静水圧プレスなどの手段により、マザー積層体を積層方向にプレスしてもよい。
次に、マザー積層体を所定の形状寸法にカットし、生のセラミック素体を複数作製する。なお、生のセラミック素体に対してバレル研磨等を施し、稜線部や角部を丸めてもよい。
次に、生のセラミック素体を焼成することにより、内部に第1及び第2の内部電極25,26が配されており、第1及び第2の内部電極25,26の端部が第1または第2の端面10e、10fに引き出されたセラミック素体10を完成させる。なお、生のセラミック素体の焼成温度は、用いたセラミック材料や導電材料に応じて適宜設定することができる。生のセラミック素体の焼成温度は、例えば、900℃〜1300℃程度とすることができる。
次に、熱硬化性樹脂などの樹脂17cと、第1の金属成分を含む第1の金属フィラー17aと、第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分を含む第2の金属フィラー17bとを含む外部電極形成用のペーストを用意する。
このペーストにおいて、第1の金属フィラー17a、第2の金属フィラー17b及び樹脂17cの合計重量に対する第1の金属フィラー17aの含有量は、20重量%〜40重量%であることが好ましく、22.0重量%〜37.2重量%であることがより好ましい。第1の金属フィラー17aの含有量が少なすぎると、金属層の形成が不十分となる場合がある。第1の金属フィラー17aの含有量が多すぎると、外部電極13,14に残存する、第2の金属フィラー17bと未反応の第1の金属フィラー17aが多くなり、例えばリフロー時に加わる熱等により外部電極13,14が変形してしまう場合がある。
なお、第1の金属フィラー17aの形状は、特に限定されない。第2の金属フィラー17bは、球状、扁平状等であってもよい。
第1の金属フィラー17aの平均粒子径は、特に限定されない。第1の金属フィラー17aの平均粒子径は、例えば、1.0μm〜10μm程度であってもよい。
このペーストにおいて、第1の金属フィラー17a、第2の金属フィラー17b及び樹脂17cの合計重量に対する第2の金属フィラー17bの含有量は、30重量%〜70重量%であることが好ましく、41.2重量%〜64重量%であることがより好ましい。第2の金属フィラー17bの含有量が少なすぎると、外部電極13,14の導電率が低下し、セラミック電子部品1の等価直列抵抗(ESR)が高くなる場合がある。第2の金属フィラー17bの含有量が多すぎると、外部電極13,14における樹脂17cの含有量が少なくなりすぎ、外部電極13,14の応力緩和効果が低くなりすぎる場合がある。
なお、第2の金属フィラー17bの形状は、特に限定されない。第2の金属フィラー17bは、球状、扁平状等であってもよい。
第2の金属フィラー17bの平均粒子径は、特に限定されない。第2の金属フィラー17bの平均粒子径は、例えば、0.5〜5.0μm程度であってもよい。
このペーストにおいて、第1の金属フィラー17a、第2の金属フィラー17b及び樹脂17cの合計重量に対する樹脂17cの含有量は、5重量%〜40重量%であることが好ましく、9.8重量%〜31.5重量%であることがより好ましい。樹脂17cの含有量が少なすぎると、外部電極13,14の応力緩和効果が低くなりすぎ、外部から応力が加わった際に外部電極13,14で十分に衝撃が吸収されなくなる場合がある。樹脂17cの含有量が多すぎると、外部電極13.14の導電率が低下し、セラミック電子部品1の等価直列抵抗(ESR)が高くなる場合がある。
次に、図5に示すように、上記ペーストをセラミック素体10の表面上に塗布することにより、電極層17を形成する。なお、ペーストの塗布は、例えば、各種印刷法やディップ法等により行うことができる。
次に、電極層17を加熱する。電極層17の加熱温度は、第1の金属成分と第2の金属成分との合金における結晶状態が熱力学的に変化する温度(第1の金属成分の電極層17外部への拡散が促進される温度域)以上であることが好ましい。電極層17の加熱温度は、例えば、480℃以上であることが好ましい。電極層17の加熱は、還元性雰囲気または窒素ガス雰囲気等の中性雰囲気などの非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。電極層17の加熱は、酸素濃度が100ppm以下の雰囲気下で行うことが好ましい。このような高温に電極層17を加熱することにより、第1及び第2の金属成分を含む合金粒子を、第1の導電層15の表面15aから第2の導電層16側に向けて突出させることができる。
なお、電極層17の加熱温度が高すぎると、樹脂17cを含む第1の導電層15が好適に形成されなくなる場合がある。このため、電極層17の加熱温度は、800℃未満であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましい。
最後に、めっき法等により、めっき膜からなる第2の導電層16を形成することにより、セラミック電子部品1を完成させることができる。第2の導電層16を、電解めっき法により形成することがより好ましい。
以上説明したように、本実施形態では、外部電極13,14に樹脂17cが含まれるため、セラミック電子部品1は、耐衝撃性や熱サイクル耐性に優れている。しかも、第1及び第2の金属成分を含む合金粒子が、第1の導電層15の表面15aから第2の導電層16側に突出している。この突出した合金粒子がめっきの成長核として好適に機能するため、第1の導電層15と第2の導電層16との密着性を高めることができる。従って、第1の導電層15と第2の導電層16とが剥離しにくく、機械的耐久性に優れたセラミック電子部品1を得ることができる。また、合金粒子によるアンカー効果に起因して第1の導電層15と第2の導電層16との密着性が向上することも考えられる。
また、セラミック素体10の内部に第1の金属成分や第2の金属成分が拡散し、セラミック素体10に形成されていたクラックが補修されることにより、セラミック素体10の剛性や耐湿性がさらに改善されることも予想される。
以下、本発明について、具体的な実験例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実験例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
(実験例)
上記実施形態に係るセラミック電子部品1と同様の構成を有するセラミック電子部品を以下の条件で各条件について作製した。なお、第1の導電層15の形成後、走査型電子顕微鏡(加速電圧20kV、倍率×180)を用いて第1の導電層15の中央領域を観察し、第1の導電層15から突出した合金粒子の有無を確認した。図6に、実験例5における第1の導電層の電子顕微鏡写真を示す。
次に、以下の条件で、第1の導電層15と第2の導電層16との剥離強度を測定した。結果を下記の表1に示す。
セラミック素体10の寸法:1.0mm×0.5mm×0.5mm
セラミック材料:BaTiO
セラミック層10gの厚み:1.90μm
内部電極25,26の材料:Ni
内部電極25,26の厚み:0.61μm
内部電極25,26の枚数:156枚
最も外側の内部電極から主面までの距離(片側外層の厚み):60μm
樹脂17c:熱硬化性のエポキシ樹脂
第1の導電性フィラーの材料:Sn
第2の導電性フィラーの材料:Ag
第1の導電性フィラーと第2の導電性フィラーと樹脂17cの合計量における第1の導電性フィラーの含有量:25.6重量%
第1の導電性フィラーと第2の導電性フィラーと樹脂17cの合計量における第2の導電性フィラーの含有量:60重量%
第1の導電性フィラーと第2の導電性フィラーと樹脂17cの合計量における樹脂17cの含有量:14.4重量%
熱処理雰囲気:窒素ガス雰囲気
熱処理時間:18分
熱処理温度:表1に示す通り。
第2の導電層16:Niめっき層とSnめっき層との積層体(Snめっき層が最外層を構成)
(剥離強度の測定方法)
図7に示すように、各試料30をガラスエポキシ基板31上のランド32上に載置して半田付けし、試料30のセラミック素体10の側面中央を幅方向に沿って加圧治具で押圧して加重速度0.5mm/sにて荷重を加えていき、第1の導電層15と第2の導電層16とが剥離した時点での荷重を剥離強度とした。
表1に示す結果から、第1の導電層15から突出した合金粒子を設けることにより、第1の導電層15と第2の導電層16との剥離強度を高めることができることが分かる。なお、表1に示す実験例とは別に、熱処理温度を800℃とする実験を行ったが、その場合は、樹脂17cが飛散してしまい、外部電極に実質的に樹脂17cが含まれなくなった。
1…セラミック電子部品
10…セラミック素体
10a、10b…主面
10c、10d…側面
10e、10f…端面
10g…セラミック層
13…第1の外部電極
14…第2の外部電極
15…第1の導電層
15a…表面
16…第2の導電層
17…電極層
17a…第2の金属フィラー
17b…第1の金属フィラー
17c…樹脂
25…第1の内部電極
26…第2の内部電極

Claims (7)

  1. セラミック素体と、
    前記セラミック素体の上に配された外部電極と、
    を備え、
    前記外部電極は、
    樹脂と、第1の金属成分と、前記第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分とを含む第1の導電層と、
    前記第1の導電層の上に配されており、めっき膜からなる第2の導電層と、
    を有し、
    前記第1の金属成分と前記第2の金属成分とを含む合金粒子が前記第1の導電層の表面から前記第2の導電層側に突出している、セラミック電子部品。
  2. 前記第1の金属成分がSnであり、
    前記第2の金属成分がAgである、請求項1に記載のセラミック電子部品。
  3. 前記合金粒子は、Sn−Ag合金を含む、請求項2に記載のセラミック電子部品。
  4. セラミック素体の表面の上に、樹脂、第1の金属成分を含む第1の金属フィラー、及び、前記第1の金属成分よりも融点が高い第2の金属成分を含む第2の金属フィラーを含む電極層を形成する工程と、
    前記電極層を加熱し、前記第1の金属成分と前記第2の金属成分とを含む合金粒子を表面から突出させ、前記合金粒子が表面から突出した第1の導電層を形成する加熱工程と、
    前記第1の導電層の上に、めっきにより第2の導電層を形成する工程と、
    を含む、セラミック電子部品の製造方法。
  5. 前記加熱工程において、前記電極層を、非酸化性雰囲気下において、480℃以上に加熱する、請求項4に記載のセラミック電子部品の製造方法。
  6. 前記加熱工程において、前記電極層を800℃未満の温度に加熱する、請求項5に記載のセラミック電子部品の製造方法。
  7. 前記第1の金属成分がSnであり、
    前記第2の金属成分がAgである、請求項5に記載のセラミック電子部品の製造方法。
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