JP2019140372A - キャパシタ部品及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性を低下させることなく、誘電率が向上した誘電体層を含むキャパシタ部品を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態によるキャパシタ部品は、誘電体層及び内部電極が交互に積層された本体と、上記本体に配置され、上記内部電極と連結される外部電極と、を含み、上記誘電体層は、 誘電体及び金属粒子を含む複合層と、該複合層を挟んで配置される第１及び第２保護層と、を含み、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体層の厚さの１／３以上である。【選択図】図３
Description
本発明はキャパシタ部品及びその製造方法に関するものである。
キャパシタ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て、電気を充電又は放電させる役割を果たすチップタイプのコンデンサである。
かかる積層セラミックキャパシタは、小型でありながら高容量が保障され、実装が容易であるという長所により、様々な電子装置の部品として用いられることができる。コンピュータ、モバイル機器などの各種の電子機器の小型化・高出力化が進むにつれ、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の要求も高まっている。積層セラミックキャパシタの小型化及び高容量化を同時に達成するためには、高誘電率誘電体を使用したり、積層数や電極面積を増やしたりする必要があるが、小型化の傾向に伴って、積層数及び電極面積を増やすのに限界がある状況である。
これによって、従来よりも高誘電率を有する誘電体に対する必要性が引き続き提起されているが、従来のＢａＴｉＯ３誘電体よりも高誘電率でありながら、使用するのに好適な材料は見出されていない。
特許文献１には、ＢａＴｉＯ３中に金属粒子を分散させてＢａＴｉＯ３／金属界面での空間電荷効果を加えることで、誘電率を向上させる方法が開示されている。
しかし、特許文献１によれば、誘電率は向上させることができるものの、信頼性が低下するという問題点がある。
本発明の目的の一つは、信頼性を低下させることなく、誘電率が向上した誘電体層を含むキャパシタ部品を提供することにある。
本発明の一実施形態は、誘電体層及び内部電極が交互に積層された本体と、上記本体に配置され、上記内部電極と連結される外部電極と、を含み、上記誘電体層は、誘電体及び金属粒子を含む複合層と、該複合層を挟んで配置される第１及び第２保護層と、を含み、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体層の厚さの１／３以上であるキャパシタ部品を提供する。
本発明の他の実施形態は、誘電体粉末を含む保護層用ペーストを準備する段階と、誘電体粉末及び金属粒子を含む複合層用ペーストを準備する段階と、支持基材上に上記保護層用ペーストを塗布して第１保護層を形成し、該第１保護層上に上記複合層用ペーストを塗布して複合層を形成した後、該複合層上に上記保護層用ペーストを塗布して第２保護層を形成することで、誘電体シートを準備する段階と、上記誘電体シート上に導電性ペーストを塗布して内部電極を印刷する段階と、上記内部電極が印刷された誘電体シートを積層し焼成して本体を形成する段階と、上記本体に上記内部電極と連結される外部電極を形成する段階と、を含み、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体シートの厚さの１／３以上であるキャパシタ部品の製造方法を提供する。
本発明の様々な効果のうちの一つとして、信頼性を低下させることなく、誘電率が向上した誘電体層を含むキャパシタ部品を得ることができる。但し、本発明の多様且つ有益な利点と効果は、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されることができる。
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい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されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する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などはより明確な説明のために拡大縮小表示（又は強調表示や簡略化表示）がされることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素である。
なお、本発明を明確に説明すべく、図面において説明と関係ない部分は省略し、様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示し、同一思想の範囲内において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、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対である記載がない限り、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むことができるということを意味する。
図面において、Ｘ方向は第１方向又は長さ方向を示し、Ｙ方向は第２方向又は幅方向を示し、Ｚ方向は第３方向又は厚さ方向を示すことができる。
キャパシタ部品
図１は本発明の一実施形態によるキャパシタ部品を概略的に示した斜視図であり、図２は図１のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、図３は図２におけるＡ部分を拡大して示した図である。
図１は本発明の一実施形態によるキャパシタ部品を概略的に示した斜視図であり、図２は図１のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、図３は図２におけるＡ部分を拡大して示した図である。
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施形態によるキャパシタ部品１００は、誘電体層１１１及び内部電極１２１、１２２が交互に積層された本体１１０と、本体１１０に配置され、内部電極１２１、１２２と連結される外部電極１３１、１３２と、を含み、誘電体層１１１は、誘電体及び金属粒子Ｍを含む複合層１１１ｂと、該複合層１１１ｂを挟んで配置され、誘電体を含む第１及び第２保護層１１１ａ、１１１ｃと、を含む。
本体１１０には、誘電体層１１１及び内部電極１２１、１２２が交互に積層されている。本体１１０は、複数の誘電体層１１１が積層された積層構造を有し、誘電体層１１１を挟んで交互に配置された第１及び第２内部電極１２１、１２２を含むことができる。
本体１１０の具体的な形状は特に制限されないが、図示されたように、本体１１０は六面体形状又はこれに類似する形状であってもよい。焼成過程における本体１１０に含まれているセラミック粉末の収縮により、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。
誘電体層１１１は、誘電体及び金属粒子Ｍを含む複合層１１１ｂと、該複合層１１１ｂを挟んで配置され、誘電体を含む第１及び第２保護層１１１ａ、１１１ｃと、を含む。第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体層の厚さの１／３以上である。
複合層１１１ｂは、誘電体及び金属粒子Ｍを含むことによって、誘電体層の誘電率を向上させる役割を果たす。
金属粒子Ｍは、誘電体と金属粒子表面におけるショットキー障壁（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ）を大きくすることにより、金属粒子の周囲に空間電荷層（Ｓｐａｃｅ ｃｈａｒｇｅ ｌａｙｅｒ）を形成し、誘電体組成物の誘電率を向上させることができる。
ショットキー障壁とは、金属と半導体を接触させるときに生じる電位障壁（エネルギー障壁）のことをいい、金属と半導体を接触させると、両者のフェルミ準位が一致するようにキャリヤが移動し、半導体の表面に空間電荷層が形成されることによって、電位障壁が構成される。
金属と半導体を接触させた場合と同様に、誘電体と金属粒子が接触したときも、誘電体と金属粒子表面におけるショットキー障壁が生じ、これによって、空間電荷層の効果が得られ、誘電率を向上させることが可能となる。
このとき、複合層に含まれている金属粒子は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びセレン（Ｓｅ）のいずれか１種以上であってもよい。
また、複合層に含まれている誘電体は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）であってもよい。
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）に、誘電体と金属粒子表面におけるショットキー障壁を大きくすることができる物質であるニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びセレン（Ｓｅ）のいずれか１種以上の金属元素を添加することによって、誘電体組成物の誘電率をさらに向上させることができる。
また、金属粒子Ｍの大きさは、５〜６００ｎｍであってもよい。
金属粒子Ｍの大きさが５ｎｍ未満であると、金属粒子のバンドギャップ（Ｂａｎｄ ｇａｐ）が大きくなって、金属特性が失われる場合がある。これは、非金属物質を添加した場合と同様の効果が得られるためである。
一方、金属粒子Ｍの大きさが６００ｎｍを超えると、金属粒子の体積に対する表面積の比が小さくなるにつれて、同量の金属粒子を添加したときに表面積が小さくなり、金属粒子の周囲に形成される空間電荷層の減少によって誘電率の上昇効果が減少するという恐れがある。
なお、金属粒子Ｍは、複合層の２〜８体積％で含まれていてもよい。
金属粒子が２体積％未満であると、誘電率の向上効果が鈍くなる場合があり、金属粒子が８体積％を超えると、金属粒子が互いに連結され、金属粒子の体積に対する表面積の比が小さくなるにつれて、同量の金属粒子を添加したときに表面積が小さくなり、金属粒子の周囲に形成される空間電荷層の減少によって誘電率の上昇効果が減少するという恐れがある。
次いで、第１及び第２保護層１１１ａ、１１１ｃは、複合層１１１ｂを挟んで配置され、複合層１１１ｂに含まれている金属粒子Ｍと内部電極１２１、１２２間にショート（ｓｈｏｒｔ）が発生することを防止する役割を果たす。複合層のみで誘電体層を構成すると、金属粒子Ｍと内部電極１２１、１２２間にショートが発生し、信頼性が低下する恐れがある。
また、第１及び第２保護層に含まれている誘電体は、複合層に含まれている誘電体と同様に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）であってもよい。
さらに、第１及び第２保護層１１１ａ、１１１ｃは、金属粒子を含んでいなくてもよい。これは、金属粒子が含まれていると、上述した保護層の役割を果たすことができなくなるためである。
次に、信頼性の確保及び誘電率の向上を図ることができる複合層、第１及び第２保護層の厚さについて説明する。
本発明の一実施形態によると、第１及び第２保護層１１１ａ、１１１ｃの厚さは、それぞれ、誘電体層１１１の厚さの１／３以上である。
図３を参照すると、第１保護層１１１ａの厚さをＴａ、複合層１１１ｂの厚さをＴｂ、第２保護層１１１ｃの厚さをＴｃ、誘電体層１１１の厚さをＴｄとするとき、Ｔｄ＝Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ、Ｔｄ／３≦Ｔａ、及びＴｄ／３≦Ｔｃを満たす。
第１又は第２保護層の厚さＴａ、Ｔｃが誘電体層の厚さＴｄの１／３未満であると、複合層に含まれている金属粒子Ｍと内部電極１２１、１２２間にショートが発生し、信頼性が低下する恐れがある。
このとき、複合層１１１ｂの厚さは４００ｎｍ以上で、誘電体層１１１の厚さの１／３以下であってもよい。
複合層の厚さが４００ｎｍ未満であると、誘電率の向上効果が鈍くなる場合があり、誘電体層の厚さの１／３を超えると、保護層の厚さを十分に確保できなくなるため、信頼性が低下する恐れがある。
図４は、本発明による実施例と比較例のＤＣバイアス挙動を比較して示したグラフである。
実施例では、誘電体層の厚さ８μｍ、第１及び第２保護層の厚さ３μｍ、複合層の厚さ２μｍであり、誘電体としてＢａＴｉＯ３を用い、かつ複合層中に含まれているＮｉは５体積％であった。比較例では、従来のようにＢａＴｉＯ３を用いて厚さ８μｍの誘電体層を製造した。
実施例では、比較例に比べて、誘電率の向上によって容量（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）が約６０％向上した。
誘電体の粒成長によって容量が向上する場合、一般的には、ＤＣフィールド（ＤＣ ｆｉｅｌｄ）が大きくなるにつれて容量が急激に減少する傾向にある。しかしながら、図４から分かるように、実施例における２Ｖ／μｍでの容量変化率も比較例と同様の水準となり、ＤＣバイアス（ＤＣ−ｂｉａｓ）挙動も比較例と類似していた。これは、容量の向上が誘電体の粒成長によるものではなく、複合層中に含まれているＮｉの空間電荷層の形成によるものと考えられる。
また、一定の時間間隔で電界を増加させながら劣化寿命テストを行った結果、信頼性も比較例に比べて同等以上の水準であることが確認された。
次いで、内部電極１２１、１２２は、誘電体層と交互に積層され、第１及び第２内部電極１２１、１２２を含んでもよい。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の両端部にそれぞれ露出してもよい。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により互いに電気的に分離されてもよい。第１及び第２内部電極１２１、１２２を形成する材料としては、特に制限されず、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム−銀（Ｐｄ−Ａｇ）合金などの貴金属材料、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つ以上の物質からなる導電性ペーストを用いて形成されてもよい。上記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用いることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１及び第２内部電極１２１、１２２の厚さは、用途に応じて適宜決定され得るが、特に制限されるものではなく、例えば、０．１〜５μｍであってもよく、又は、０．１〜２．５μｍであってもよい。
外部電極１３１、１３２は、本体１１０に配置され、内部電極１２１、１２２と連結される。図２に示したように、第１及び第２内部電極１２１、１２２とそれぞれ接続された第１及び第２外部電極１３１、１３２を含むことができる。本実施形態では、キャパシタ部品１００が２つの外部電極１３１、１３２を有する構造について説明するが、外部電極１３１、１３２の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可能である。
一方、外部電極１３１、１３２は、金属などのように導電性を有するものであれば、いかなる物質で形成されてもよいが、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ることができ、さらに多層構造を有することができる。例えば、本体及び内部電極と接するＮｉからなる電極層、該電極層上に形成されためっき層を含むことができる。
キャパシタ部品の製造方法
本発明の他の実施形態であるキャパシタ部品の製造方法は、誘電体粉末を含む保護層用ペーストを準備する段階と、誘電体粉末及び金属粒子を含む複合層用ペーストを準備する段階と、支持基材上に上記保護層用ペーストを塗布して第１保護層を形成し、該第１保護層上に上記複合層用ペーストを塗布して複合層を形成した後、該複合層上に上記保護層用ペーストを塗布して第２保護層を形成することで、誘電体シートを準備する段階と、上記誘電体シート上に導電性ペーストを塗布して内部電極を印刷する段階と、上記内部電極が印刷された誘電体シートを積層し焼成して本体を形成する段階と、上記本体に上記内部電極と連結される外部電極を形成する段階と、を含み、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体シートの厚さの１／３以上である。
本発明の他の実施形態であるキャパシタ部品の製造方法は、誘電体粉末を含む保護層用ペーストを準備する段階と、誘電体粉末及び金属粒子を含む複合層用ペーストを準備する段階と、支持基材上に上記保護層用ペーストを塗布して第１保護層を形成し、該第１保護層上に上記複合層用ペーストを塗布して複合層を形成した後、該複合層上に上記保護層用ペーストを塗布して第２保護層を形成することで、誘電体シートを準備する段階と、上記誘電体シート上に導電性ペーストを塗布して内部電極を印刷する段階と、上記内部電極が印刷された誘電体シートを積層し焼成して本体を形成する段階と、上記本体に上記内部電極と連結される外部電極を形成する段階と、を含み、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体シートの厚さの１／３以上である。
以下、各段階について説明するが、上述したキャパシタ部品で説明した部分と重複する部分は省略する。
先ず、誘電体粉末を含む保護層用ペーストを準備する。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）粉末に、種々の添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤、分散剤などを入れ、混合した混合物をバインダーに分散させることで、保護層用ペーストを準備してもよい。
その後、誘電体粉末及び金属粒子を含む複合層用ペーストを準備する。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）粉末に、種々の添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤、分散剤などを入れ、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びセレン（Ｓｅ）などの金属元素のうち１種以上を、誘電体に対し２〜８体積％添加して混合した混合物をバインダーに分散させることで、複合層用ペーストを準備してもよい。
次いで、支持基材上に上記保護層用ペーストを塗布して第１保護層を形成し、該第１保護層上に上記複合層用ペーストを塗布して複合層を形成した後、該複合層上に上記保護層用ペーストを塗布して第２保護層を形成することで、誘電体シートを準備する。このとき、上記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、上記誘電体シートの厚さの１／３以上とする。
このように、保護層用ペーストと複合層用ペーストを別途準備することで、信頼性の確保及び誘電率の向上に有利な第１保護層／複合層／第２保護層のサンドイッチ構造を容易に実現することができる。さらに、複合層、第１及び第２保護層のそれぞれの厚さを容易に制御することができる。
次に、誘電体シート上に内部電極用導電性ペーストを印刷工法などで塗布して内部電極を印刷することができる。上記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が挙げられるが、発明はこれに限定されるものではない。
内部電極が印刷された誘電体シートを積層し焼成して本体を形成することができる。このとき、内部電極が印刷された誘電体シートの積層数は、キャパシタ部品の容量に応じて調節することができる。
最後に、本体に外部電極を形成することで、キャパシタ部品を完成することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。
１００ キャパシタ部品
１１０ 本体
１２１、１２２ 内部電極
１１１ 誘電体層
１１１ａ、１１１ｃ 保護層
１１１ｂ 複合層
１３１、１３２ 外部電極
Ｍ 金属粒子
１１０ 本体
１２１、１２２ 内部電極
１１１ 誘電体層
１１１ａ、１１１ｃ 保護層
１１１ｂ 複合層
１３１、１３２ 外部電極
Ｍ 金属粒子
Claims (10)
- 誘電体層及び内部電極が交互に積層された本体と、
前記本体に配置され、前記内部電極と連結される外部電極と、を含み、
前記誘電体層は、誘電体及び金属粒子を含む複合層と、該複合層を挟んで配置され、誘電体を含む第１及び第２保護層と、を含み、
前記第１及び第２保護層の厚さは、それぞれ、前記誘電体層の厚さの１／３以上である、キャパシタ部品。 - 前記複合層の厚さは４００ｎｍ以上で、前記誘電体層の厚さの１／３である、請求項１に記載のキャパシタ部品。
- 前記金属粒子は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びセレン（Ｓｅ）のいずれか１種以上である、請求項１または２に記載のキャパシタ部品。
- 前記金属粒子の大きさは５〜６００ｎｍである、請求項１から３のいずれか一項に記載のキャパシタ部品。
- 前記金属粒子は前記複合層の２〜８体積％で含まれている、請求項１から４のいずれか一項に記載のキャパシタ部品。
- 前記誘電体はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）である、請求項１から５のいずれか一項に記載のキャパシタ部品。
- 前記第１及び第２保護層は金属粒子を含んでいない、請求項１から６のいずれか一項に記載のキャパシタ部品。
- 誘電体粉末を含む保護層用ペーストを準備する段階と、
誘電体粉末及び金属粒子を含む複合層用ペーストを準備する段階と、
支持基材上に前記保護層用ペーストを塗布して第１保護層を形成し、該第１保護層上に前記複合層用ペーストを塗布して複合層を形成した後、該複合層上に前記保護層用ペーストを塗布して第２保護層を形成することで、誘電体シートを準備する段階と、
前記誘電体シート上に導電性ペーストを塗布して内部電極を印刷する段階と、
前記内部電極が印刷された誘電体シートを積層し焼成して本体を形成する段階と、
前記本体に前記内部電極と連結される外部電極を形成する段階と、を含み、
前記第１保護層及び第２保護層の厚さは、それぞれ、前記誘電体シートの厚さの１／３以上である、キャパシタ部品の製造方法。 - 前記金属粒子は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びセレン（Ｓｅ）のいずれか１種以上である、請求項８に記載のキャパシタ部品の製造方法。
- 前記誘電体粉末はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）である、請求項８または９に記載のキャパシタ部品の製造方法。
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