JP4345071B2 - 積層セラミックコンデンサ、及び該積層セラミックコンデンサの製造方法 - Google Patents

積層セラミックコンデンサ、及び該積層セラミックコンデンサの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は積層セラミックコンデンサ、及び該積層セラミックコンデンサの製造方法に関し、より詳しくはCaZrO系化合物を主成分とし、Mn等の添加物を含有したセラミック素体を有する積層セラミックコンデンサ、及びその製造方法に関する。
CaZrO系化合物は、静電容量の温度変化率が小さく、誘電損失tanδが小さいことから、温度補償用等の積層セラミックコンデンサに広く使用されている。
ところで、この種の積層セラミックコンデンサは、通常、導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層してセラミック積層体を形成し、該セラミック積層体に焼成処理を施して内部電極が埋設されたセラミック素体を形成し、その後、該セラミック素体の両端部に導電性ペーストを塗布し、焼付け処理を行なって外部電極を形成し、この後外部電極の表面にNiやSn等のめっき皮膜を形成し、これにより製造される。
そして、従来より、セラミック層(セラミック素体)が、(CaO)(Zr1-y・Ti)Oで表される複合酸化物と、該複合酸化物100重量部に対してMnCO換算で1.0〜3.0重量部のMn化合物と、0.5〜2.0重量部のLiO−B−CaO系ガラス成分を含有したセラミック材料で形成され、内部電極がCu系導体材料で形成された積層セラミックコンデンサが提案されている(特許文献1)。
この特許文献1は、セラミック層が、CaZrO系複合酸化物を主成分とすると共に、副成分としてMn化合物及びLiO−B−CaO系ガラス成分を含有し、かつ内部電極を安価で良導電性を有するCuで形成することにより、静電容量の温度変化率がCG特性(25℃の静電容量に対し−55℃〜+125℃の範囲で±30ppm/℃以下)を満足し、かつ10,000以上の高いQ値(=1/tanδ)と28〜32の比誘電率εrを有する低温焼成可能な積層セラミックコンデンサを得ることができる。
特開平11−283860号公報
しかしながら、特許文献1は、内部電極材料にCuを使用し、セラミック材料にMn化合物を含んでいるため、内部電極を形成すべきCuの一部が焼成処理時にセラミック層側に拡散してMn−Cu−Oからなる偏析物が析出し、このため積層セラミックコンデンサの諸特性に悪影響を与え、特に、高温負荷寿命の低下を招くという問題点があった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、静電容量の温度特性が良好でQ値が高く、しかも高温負荷寿命の低下が抑制された信頼性の優れた積層セラミックコンデンサ、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を行ったところ、CaZrO系化合物を主成分とする積層セラミックコンデンサにおいて、セラミック素体の断面におけるMnを含有した二次相粒子の占める面積率が0.1%以上となるように前記セラミック素体中にMn及びSiを含有させ、かつ、前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がSi及びCuを含むようにすることで静電容量の温度特性が良好でQ値が高く、かつ高温負荷寿命の低下を抑制することができる積層セラミックコンデンサを得ることができるという知見を得た。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、本発明に係る積層セラミックコンデンサは、CaZrO系化合物を主成分とする主相粒子と少なくともMnを含有した二次相粒子とを含むセラミック素体と、該セラミック素体に埋設されたCuを主成分とする内部電極と、前記セラミック素体の両端部に形成されて前記内部電極の一方の端部と電気的に接続された外部電極とを備えた積層セラミックコンデンサにおいて、Mn及びSiが、前記セラミック素体中で前記主成分100モル部に対し、それぞれ2モル部以上、及び0.69モル部以上含有されると共に、前記セラミック素体の断面における前記二次相粒子の占める面積率が、0.1%以上であり、かつ、前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がCu及びSiを含んでいることを特徴としている。
さらに、本発明の積層セラミックコンデンサは、前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、85%以上がCu及びSiを含んでいることを特徴とするのも好ましい。
また、本発明者らの研究結果により、主成分であるCaZrO系化合物について、Caの一部をSr及びBaで置換し、Zrの一部をTiで置換した場合にも所期の作用効果が得られることが分かった。
すなわち、本発明の積層セラミックコンデンサは、前記CaZrO系化合物は、Caの一部がSr及びBaで置換されZrの一部がTiで置換されていることを特徴としている。
また、本発明の積層セラミックコンデンサは、前記CaZrO系化合物が、一般式〔(Ca1-a-bSrBa(Zr1-cTi)O〕(ただし、0≦a≦0.45、0≦b≦0.10、0≦c≦0.10、0.98≦m≦1.02)で表される複合酸化物であることを特徴とするのも好ましい。
さらに、本発明の積層セラミックコンデンサは、前記セラミック素体が、Mg、Ca、Sr、Ba、Li、B、Al、及びTiから選択された少なくとも1種を含むことを特徴としている。
また、上記積層セラミックコンデンサは、外部電極を形成した後に、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことにより製造することができる。
すなわち、本発明に係る積層セラミックコンデンサの製造方法は、CaZrO系化合物からなる主成分に副成分として少なくともMn及びSiを含有した化合物を、前記Mn及び前記Siが前記主成分100モル部に対しそれぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上となるように添加してセラミックグリーンシートを作製し、Cuを主成分とする内部電極用導電性ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面に塗布して導電パターンを形成し、該導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層してセラミック積層体を形成した後、焼成処理を施してセラミック素体を形成し、該セラミック素体の両端部に外部電極用導電性ペーストを塗布して焼付け処理を施し、その後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことを特徴としている。
また、本発明に係る積層セラミックコンデンサの製造方法は、CaZrO系化合物からなる主成分に副成分として少なくともMn及びSiを含有した化合物を、前記Mn及び前記Siが前記主成分100モル部に対しそれぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上となるように添加してセラミックグリーンシートを作製し、Cuを主成分とする内部電極用導電性ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面に塗布して導電パターンを形成し、該導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層してセラミック積層体を形成した後、該セラミック積層体の両端部に外部電極用導電性ペーストを塗布し、次いで焼成処理を施し、その後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことを特徴とするのも好ましい。
本発明の積層セラミックコンデンサによれば、Mn及びSiが、前記セラミック素体中で前記主成分100モル部に対し、それぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上含有されると共に、前記セラミック素体の断面における前記二次相粒子の占める面積率が、0.1%以上であり、かつ、前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がCu及びSiを含んでいるので、内部電極となるべきCuの一部が焼成処理時にセラミック層側に拡散してもMn及びCuがSi含有相に吸収される。したがって、従来、積層セラミックコンデンサの諸特性に悪影響を及ぼすとされたMn−Cu−Oの偏析物が少なくなり、その結果、静電容量の温度特性が良好でQ値が高く、かつ高温負荷寿命の低下が抑制された積層セラミックコンデンサを得ることができる。
具体的には、静電容量の温度変化率がCG特性を満足し、Q値が10,000以上であって、絶縁抵抗の初期値(logIR)に対する高温負荷試験後の絶縁抵抗(logIR)の劣化桁数が3桁以下に抑制することのできる信頼性の優れた積層セラミックコンデンサを得ることができる。
また、セラミック素体を構成するCaZrO系化合物が、一般式〔(Ca1-a-bSrBa(Zr1-cTi)O〕(ただし、0≦a≦0.45、0≦b≦0.10、0≦c≦0.10、0.98≦m≦1.02)で表される複合酸化物からなり、さらには前記副成分が、Mg、Ca、Sr、Ba、Li、B、Al、及びTiから選択された少なくとも1種を含む場合は、上記作用効果を確実に奏することができる。
また、本発明の積層セラミックコンデンサの製造方法によれば、外部電極を焼付け形成した後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行っているので、二次相粒子中、粒径が0.1μm以上の粒子は、67%以上がSi及びCuを含むこととなって上述したような静電容量の温度特性が良好でQ値が高く、かつ高温負荷寿命の優れた積層セラミックコンデンサを容易に製造することができる。
また、外部電極は、(1)セラミック積層体に焼成処理を施し、その後、外部電極用導電性ペーストを塗布し、焼付け処理を行なって形成する方法、或いは(2)セラミック積層体に外部電極用導電性ペーストを塗布し、その後焼成処理を行なうことにより、セラミック積層体の焼成処理を兼ねた焼付け処理を行なって形成する方法があるが、いずれの場合であっても、外部電極を形成した後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことにより、二次相粒子中の0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がCu及びSiを含むようにすることができる。
本発明に係る積層セラミックコンデンサの一実施の形態を模式的に示す断面図である。
符号の説明
1 セラミック素体
2 内部電極
3a 外部電極
3b 外部電極
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図1は本発明に係る積層セラミックコンデンサの一実施の形態を模式的に示した断面図である。
該積層セラミックコンデンサは、セラミック材料の焼結体からなるセラミック素体1にCuを主成分とした内部電極2(2a〜2f)が埋設されると共に、該セラミック素体1の両端部には外部電極3a、3bが形成され、さらに該外部電極3a、3bの表面には第1のめっき皮膜4a、4b及び第2のめっき皮膜5a、5bが形成されている。
具体的には、各内部電極2a〜2fは積層方向に並設されると共に、内部電極2a、2c、2eは外部電極3aと電気的に接続され、内部電極2b、2d、2fは外部電極3bと電気的に接続されている。そして、内部電極2a、2c、2eと内部電極2b、2d、2fとの対向面間で静電容量を形成している。
また、セラミック素体1は、CaZrO系化合物を主成分とする主相粒子と、少なくともMnを含有した二次相粒子とを含み、Mn及びSiが、セラミック素体1中で主成分100モル部に対し、それぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上含有すると共に、セラミック素体1の断面における前記二次相粒子の占める面積率は0.1%以上であり、さらに二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子は、67%以上がSi及びCuを含んでいる。
このように二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がSi及びCuを含むようにセラミック素体1を形成することにより、静電容量の温度変化率がCG特性を満足し、またQ値は10,000以上を確保することができ、さらに絶縁抵抗の初期値(logIR)に対する高温負荷試験後の絶縁抵抗(logIR)の劣化桁数を3桁以下に抑制することができる。そしてこれにより、静電容量の温度特性が良好で低誘電損失かつ高温負荷寿命の劣化を抑制することができる信頼性の優れた積層セラミックコンデンサを得ることができ、特に温度補償用に好適したものとなる。
すなわち、セラミック素体1は、後述するように、通常、Cuを主成分とする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複数枚積層してなるセラミック積層体に焼成処理を施して形成されるが、焼成処理時に内部電極となるべきCuの一部がセラミック層側に拡散するため、セラミック層中にCuが混入し、このため主相粒子間にはMn−Cu−Oの偏析物が二次相粒子として析出し、斯かる偏析物が積層セラミックコンデンサの諸特性に悪影響を及ぼす。
そこで、本発明者らの研究結果により、Mn−Cu−OをSi含有相へ取り込ませ、二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がSi及びCuを含むようにすることにより、Mn−Cu−Oを減少させることができることが判明した。
すなわち、二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、Si及びCuを含む粒子数が67%未満の場合は、Q値の低下を招いたり高温負荷寿命の劣化を招くのに対し、二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、Si及びCuを含む粒子を67%以上、好ましくは85%以上とすることにより、所望の高Q値を得ることができると共に、高温負荷寿命の劣化を抑制することができるのである。
このように二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がSi及びCuを含むようにすることにより、静電容量の温度変化率がCG特性を満足し、また所望の高Q値を得ることができ、高温負荷寿命の劣化が抑制された積層セラミックコンデンサを得ることができる。
また、本実施の形態で、セラミック素体1の断面における二次相粒子の占める面積率を0.1%以上としているが、これは面積率が0.1%未満になると、高温負荷寿命が劣化し、信頼性を損なうおそれがあるからであり、そのためにはセラミック素体1中に主成分100モル部に対しMnを2モル部以上、Siを0.69モル部以上含有する必要がある。換言すれば、前記面積率を0.1%以上とするために、Mn及びSiの含有量を主成分100モル部に対しMnを2モル部以上、Siを0.69モル部以上としたのである。
尚、Mn−Cu−Si−Oには、本発明の目的を妨げない限り、他の元素が含有されていても構わない。
また、主相粒子の主成分を構成するCaZrO系化合物としては、CaZrOの他、Caの一部をSr及びBaで置換したものや、Zrの一部をTiで置換したものでもよい。
したがって、CaZrO系化合物としては、下記一般式〔A〕で表される複合酸化物を使用することができる。
(Ca1-a-bSrBa(Zr1-cTi)O…〔A〕
尚、後述する〔実施例〕で例証されるように、本発明者らは、a、b、c、及びmが、それぞれ0≦a≦0.45、0≦b≦0.10、0≦c≦0.10、及び0.98≦m≦1.02の範囲で本発明の所期の作用効果を奏することができることを確認している。
また、セラミック素体1の副成分として、Mg、Ca、Sr、Ba、Li、B、Al、及びTiを少なくとも1種以上含むのも好ましい。この場合、これらの添加物成分は主相粒子や二次相粒子に固溶させて存在させてもよいし、結晶粒界に酸化物の形態で存在させてもよく、またBaOのように単体酸化物の形態で存在させてもよく複合酸化物の形態で存在させてもよい。また、Si等と共存させてアモルファス状態で存在させてもよい。
また、外部電極材料としては、良導電性を有するのであれば、特に限定されるものではないが、価格等を考慮し、Cu、Ni、Cu−Ni合金等の卑金属材料を使用するのが好ましい。
次に、上記積層セラミックコンデンサの製造方法を詳述する。
主成分を構成するセラミック素原料(以下、「主成分原料」という。)として、CaCO、ZrO、TiO、必要に応じてSrCO、BaCOを所定量秤量し、次いで、これら主成分原料をボールミルに投入して湿式で混合・粉砕し、その後、乾燥工程を経て大気雰囲気下、所定温度(例えば、800〜1300℃)で約2時間仮焼処理を行ない、仮焼品を得る。
次に、副成分として、少なくともMnO、SiO、必要に応じてMgO、CaO、SrO、BaO、LiO、B、Al、及びTiOを所定量秤量し、ボールミルに投入して前記仮焼品と混合し、湿式で粉砕した後、乾燥させ、これによりセラミック原料粉末を得る。尚、これら主成分、副成分のためのセラミック素原料は、熱処理により酸化物に変化するものであれば、炭酸化物や酸化物でなくてもよい。
次に、このセラミック原料粉末に、バインダ及び有機溶剤を加えてボールミル内で湿式混合し、セラミックスラリーを作製した後、このセラミックスラリーをドクターブレード法等の成形法を使用して成形加工し、その後所定寸法に切断して矩形状のセラミックグリーンシートを得る。
次いで、スクリーン印刷法等を使用してCuを主成分とする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上に塗布し、導電パターンを形成する。
次に、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所定方向に複数枚積層し、導電パターンの形成されていないセラミックグリーンシートで挟持し、圧着してセラミック積層体を作製する。
そしてこの後、前記セラミック積層体を、大気雰囲気又はN雰囲気又はN−H雰囲気又はN−H−HO雰囲気下、所定温度に加熱してバインダを燃焼させ、さらに酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、850〜1000℃の温度で焼成処理を施し、これにより内部電極2が埋設されたセラミック素体1を得る。
次に、このセラミック素体1をバレル研磨してセラミック素体1の端面から内部電極2を露出させ、その後、セラミック素体1の両端部に外部電極用導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、最高温度が700℃以上となるような焼成プロファイルでもって焼付け処理を行ない、外部電極3a、3bを形成する。
ここで、焼付け処理を最高温度が700℃以上となるような焼成プロファイルで行ったのは、焼付け処理の最高温度が700℃未満の場合は、外部電極3a、3bの焼結が不十分となって誘電損失tanδが大きくなるからである。尚、Cuの融点が1083℃であることから、焼付け処理温度の上限値は1000℃以下であるのが好ましい。
次に、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、最高温度が700℃以上となるような焼成プロファイルでもって熱処理を行う。
ここで、熱処理時の酸素分圧を10-8.5MPa以下としたのは、酸素分圧が10-8.5MPaを超えると、Si含有相内に存在しているMnをSi含有相に十分に取り込むことができず、このため静電容量の温度変化率がCG特性を満足しなくなり、またQ値も低下して誘電損失tanδが大きくなり、しかも高温負荷寿命も劣化して所期の目的を達成できなくなるからである。尚、酸素分圧の下限値は特に限定されるものではないが、実用的には10-21.0MPa以上が好ましい。
また、熱処理時の最高温度を700℃以上としたのは、最高温度が700℃未満では内部電極との界面近傍におけるMn−Cu−OをSi含有相に十分に取り込むことができず、このため静電容量の温度変化率がCG特性を満足しなくなり、またQ値が低下して誘電損失tanδが大きくなり、しかも高温負荷寿命も劣化して所期の目的を達成できなくなるからである。尚、熱処理時の最高温度の上限も特に限定されるものではないが、Cuの融点が1083℃であることを考慮すると、1000℃以下であるのが好ましい。
そしてこの後、電解めっきを施して外部電極3a、3bの表面にNi、Cu等からなる第1のめっき皮膜4a、4bを形成し、さらに該第1のめっき皮膜4a、4bの表面にSnやはんだ等からなる第2のめっき皮膜5a、5bを形成し、これにより積層セラミックコンデンサが製造される。
このようにして製造された積層セラミックコンデンサは、Mnを含有した二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上はSi及びCuを含んでいるので、静電容量の温度特性が良好で、高Q値を有し、しかも高温負荷寿命が向上した信頼性の優れた積層セラミックコンデンサを実現することができる。
また、本実施の形態では、セラミック積層体の焼成処理から外部電極形成のための焼付け処理を経て最終工程となる熱処理までを該熱処理の条件に合致するような条件で処理することができ、したがって、これら一連の処理を同一の還元雰囲気下、同一の焼成プロファイルで行うことが可能であり、製造工程が煩雑になるのを回避することが可能となる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
上記実施の形態では、セラミック積層体に焼成処理を施した後、外部電極を焼付け処理により形成しているが、外部電極用導電性ペーストをセラミック積層体の両端部に塗布した後、焼成処理を行ない、セラミック積層体の焼成処理と外部電極形成のための焼付け処理とを兼ねるようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、上述したようにセラミック積層体の焼成処理から最終工程となる熱処理までを、同一の焼成プロファイルで行うことが可能であるが、各処理工程を異なる条件で行ってもよく、例えば焼付け処理を大気雰囲気で行ない、その後の熱処理を上述した還元雰囲気で行ってもよい。
また、上記実施の形態では、主成分原料を作製した後、直ちに副成分を添加しているが、主成分原料に対し、該主成分と同一の原料(CaCO、ZrO、TiO、SrCO、BaCO)を添加して組成を調整してもよい。
さらに、上記実施の形態では、主成分原料に副成分をそのまま添加しているが、これら副成分の一部又は全部を平均粒径が2μm以下になるように微粉砕した後、添加するのもよく、また、微粉砕後、仮焼してから添加してもよい。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
まず、主成分原料として、純度99%以上のCaCO、ZrO、TiO、SrCO、BaCOを準備し、主成分組成が表1のような値となるように前記主成分原料を秤量した。
次いで、これら主成分原料をボールミルに投入して湿式で混合・粉砕した後、乾燥させ、その後大気雰囲気下、1200℃で2時間仮焼処理を施し、仮焼品を得た。
次に、副成分として、純度99%以上のMnO、SiO、MgO、CaO、SrO、BaO、LiO、B、Al、及びTiOを準備し、これら副成分の添加量が主成分100モル部に対し、表1のようなモル部を有するように秤量し、ボールミルに投入して前記仮焼品と混合し、湿式で粉砕した後、乾燥させ、これによりセラミック原料粉末を得た。
次に、このセラミック原料粉末に、ポリビニルブチラール樹脂(バインダ)及びエタノール(有機溶剤)を加えてボールミル内で湿式混合し、セラミックスラリーを作製した。
次いで、このセラミックスラリーをドクターブレード法で成形した後、切断し、焼成後の1層当たりのセラミック層の厚みが5μmとなるように矩形状のセラミックグリーンシートを作製した。
その後、セラミックグリーンシート上にCuを主成分とする内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、導電パターンを形成した。
次に、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所定方向に積層し、導電パターンの形成されていないセラミックグリーンシートで挟持し、圧着してセラミック積層体を作製した。尚、導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートの積層枚数は10であった。
次に、このセラミック積層体を、大気雰囲気中、500℃の温度で加熱してバインダを燃焼させた後、酸素分圧が10-8.5〜10-21.0の還元雰囲気下、最高温度が850〜1000℃となるような焼成プロファイルで焼成処理を行い、内部電極が埋設されたセラミック素体(セラミック焼結体)を得た。
次に、このセラミック素体をバレル研磨して該セラミック素体の端面から内部電極を露出させ、その後、セラミック素体の両端部にCuを主成分とする外部電極用導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、酸素分圧が10-8.5〜10-21.0の還元雰囲気下、最高温度が700〜1000℃となるような焼成プロファイルで焼付け処理を行ない、外部電極を形成した。
そして、この後、表1に示すような熱処理条件(焼成プロファイルの最高温度が650〜1000℃、酸素分圧が10-8.0〜10-21.0MPaの還元雰囲気)で熱処理を行った。
続いて、バレルめっき法を使用して電解めっきを施し、外部電極上にNi皮膜及びSn皮膜を順次形成し、これにより試料番号1〜26の積層セラミックコンデンサを得た。尚、得られた積層セラミックコンデンサの外形寸法は、長さ0.6mm、幅0.3mm、厚さ0.3mmであった。
表1は試料番号1〜26の主成分及び副成分の各成分組成、外部電極形成時の焼付け温度、及び外部電極形成後の熱処理条件を示している。
Figure 0004345071
次に、試料番号1〜26の各積層セラミックコンデンサについて、FE−SEM(電界放射式走査型電子顕微鏡)を使用し、倍率1000倍でその断面を観察し、10μm□の視野内における二次相粒子の面積率を求めたところ、0.1%以上であることが確認された。尚、主相粒子と二次相粒子の区別は、FE−WDX(電界放射式波長分散型X線分析装置)を使用したマッピング分析により行った。
次いで、試料番号1〜26の各積層セラミックコンデンサについて、内部電極が表面露出するように研磨し、その研磨面をWDX(波長分散型X線分析装置)を使用してマッピング分析を行い、二次相粒子の長辺と短辺を測定し、その平均値(平均粒径)を算出した。そして、粒径が0.1μm以上の二次相粒子のうち、Siを含有している粒子の個数を計数し、その割合を算出した。
尚、セラミック積層体の焼成処理時に内部電極となるべきCuの一部はセラミック層側に拡散することから二次相粒子中には不可避的にCuが含まれ、したがって、二次相粒子中のSiを含有している粒子数を計数すれば、二次相粒子中でCu及びSiを含有している粒子数の最小値を知ることができる。
次に、自動ブリッジ式測定器を使用し、周波数1MHz、実効電圧AC1Vrms、温度25℃の条件で静電容量C及びQ値を測定し、静電容量C及び試料寸法から比誘電率εrを算出した。
また、数式(1)を使用し、−55℃及び+125℃のときの静電容量の温度変化率(以下、「容量変化率」という。)αを算出した。
Figure 0004345071
ここで、Tiは測定温度(−55℃又は+125℃)、Cは測定温度Tでの静電容量(F)、C20は20℃での静電容量〔F〕を示している。
次に、試料番号1〜26の各々72個の試験片について高温負荷試験を行い、高温負荷寿命を評価した。すなわち、各試験片について、絶縁抵抗計を使用し、まず、印加電圧25V、印加時間120秒、温度25℃の条件で絶縁抵抗の初期値(logIR)を測定した。そしてその後、高温負荷試験を行い、高温負荷試験後の絶縁抵抗(logIR)を再度測定し、絶縁抵抗IRの劣化桁数の平均値(平均IR劣化桁数)を算出し、これにより高温負荷寿命を評価した。
尚、高温負荷試験は、温度150℃、印加電圧100Vの条件で250時間行った。
表2は各測定結果を示している。
Figure 0004345071
表1及び表2から明らかなように試料番号8は、0.1μm以上の二次相粒子中でSiを含有している粒子の個数割合が60%と低く、このため、Q値が500と低く、容量変化率αも+125℃で37ppm/℃となってCG特性を満足せず、平均IR劣化桁数も6と大きく、高温負荷寿命に劣ることが分かった。これは、外部電極形成後に熱処理を行っていないため、副成分にSiOを添加してもMn−Cu−OがSi含有相に吸収されなかったためと思われる。
試料番号9は、0.1μm以上の二次相粒子中でSi成分を含有している粒子の個数割合が65%と低く、このため、Q値は試料番号8よりも幾分高くなるものの2,000と低く、また平均IR劣化桁数も6と大きく、高温負荷寿命に劣ることが分かった。これは、外部電極形成後の熱処理を温度650℃の低温で行っているため、Mn−Cu−Oからなる化合物をSi含有相に十分に吸収させることができなかったためと思われる。
試料番号10は、0.1μm以上の二次相粒子中でSiを含有している粒子の個数割合が63%と低く、このため、Q値は1,000と低く、また平均IR劣化桁数も6と大きく、高温負荷寿命に劣ることが分かった。これは、外部電極形成後の熱処理を酸素分圧が10-8.0MPaで行っており、したがって所期の作用効果を奏するほどの還元雰囲気が得られていないため、Mn−Cu−Oからなる化合物をSi含有相に十分に吸収することができなかったためと思われる。
これに対して試料番号1〜7及び11〜26は、温度700〜1000℃、酸素分圧10-8.5〜10-21.0MPaの条件で外部電極形成後に熱処理を行っているので、0.1μm以上の二次相粒子中でSi成分を含有している二次相粒子の個数が67%以上となり、したがってMn−Cu−OをSi含有相に十分に吸収させることができ、これにより、10,000以上の高Q値を有し、容量変化率αがCG特性を満足し、平均IR劣化桁数も3以下に抑制することのできる積層セラミックコンデンサを得ることができた。
尚、0.1μm以上の二次相粒子中、Siを含有する粒子に個数が85%以上(試料番号1、2、5、6、11、12、14、16、18、19、21、22、24及び26)は、平均IR劣化桁数を1.8以下に抑制することができ、高温負荷寿命の劣化をより一層効果的に抑制できることが分かった。特に、試料番号6に示すように酸素分圧が10-21.0MPa下、最高温度が900℃の焼成プロファイルで熱処理を行った場合は、0.1μm以上の二次相粒子の全てがSiを含んでおり、平均IR劣化桁数を0.5に抑制できることが分かった。

Claims (7)

  1. CaZrO系化合物を主成分とする主相粒子と少なくともMnを含有した二次相粒子とを含むセラミック素体と、該セラミック素体に埋設されたCuを主成分とする内部電極と、前記セラミック素体の両端部に形成されて前記内部電極の一方の端部と電気的に接続された外部電極とを備えた積層セラミックコンデンサにおいて、
    Mn及びSiが、前記セラミック素体中で前記主成分100モル部に対し、それぞれ2モル部以上、及び0.69モル部以上含有されると共に、前記セラミック素体の断面における前記二次相粒子の占める面積率が、0.1%以上であり、
    かつ、前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、67%以上がCu及びSiを含んでいることを特徴とする積層セラミックコンデンサ。
  2. 前記二次相粒子中の粒径が0.1μm以上の粒子のうち、85%以上がCu及びSiを含んでいることを特徴とする請求項1記載の積層セラミックコンデンサ。
  3. 前記CaZrO系化合物は、Caの一部がSr及びBaで置換されZrの一部がTiで置換されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の積層セラミックコンデンサ。
  4. 前記CaZrO系化合物は、一般式〔(Ca1-a-bSrBa(Zr1-cTi)O〕(ただし、0≦a≦0.45、0≦b≦0.10、0≦c≦0.10、0.98≦m≦1.02)で表される複合酸化物であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の積層セラミックコンデンサ。
  5. 前記セラミック素体が、Mg、Ca、Sr、Ba、Li、B、Al、及びTiから選択された少なくとも1種の成分を含有していることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の積層セラミックコンデンサ。
  6. CaZrO系化合物からなる主成分に副成分として少なくともMn及びSiを含有した化合物を、前記Mn及び前記Siが前記主成分100モル部に対しそれぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上となるように添加してセラミックグリーンシートを作製し、Cuを主成分とする内部電極用導電性ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面に塗布して導電パターンを形成し、該導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層してセラミック積層体を形成した後、焼成処理を施してセラミック素体を形成し、該セラミック素体の両端部に外部電極用導電性ペーストを塗布して焼付け処理を施し、その後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことを特徴とする積層セラミックコンデンサの製造方法。
  7. CaZrO系化合物からなる主成分に副成分として少なくともMn及びSiを含有した化合物を、前記Mn及び前記Siが前記主成分100モル部に対しそれぞれ2モル部以上及び0.69モル部以上となるように添加してセラミックグリーンシートを作製し、Cuを主成分とする内部電極用導電性ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面に塗布して導電パターンを形成し、該導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層してセラミック積層体を形成した後、該セラミック積層体の両端部に外部電極用導電性ペーストを塗布し、次いで焼成処理を施し、その後、酸素分圧が10-8.5MPa以下の還元雰囲気下、700℃以上の温度で熱処理を行うことを特徴とする積層セラミックコンデンサの製造方法。
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