JP5324246B2 - 積層コンデンサ - Google Patents
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Description
特に近年、積層コンデンサの使用環境がますます厳しくなっており、特にMPUの発熱量は大きくなっており、MPU用配線基板とこれに実装されるデカップリングコンデンサとは、大きな温度差を伴った急加熱・急冷却に曝される。加えて、近年の低背化及びスペースの狭小化の要求から、電子部品(コンデンサなど)のMPU用配線基板内への内蔵が求められるが、内蔵された電子部品は、配線基板を構成する樹脂材料との熱膨張差による大きな応力が定常的に負荷される環境に置かれることとなる。更に、各電子部品の実装には、高温の半田リフローが使用される場合があると共に、その工程数も1度のみならず複数回の半田リフロー工程に供される場合があり、ここでも大きな温度差を伴った急加熱・急冷却に曝されることとなる。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、特に高い機械的特性を有する積層コンデンサを提供することを目的とする。
(1)一面及び対面を有する積層コンデンサにおいて、
上記一面及び上記対面の間に形成された複数の誘電体層と、該誘電体層を介して積層された複数の内部電極層と、該内部電極層同士を電気的に接続している複数のビア電極と、該ビア電極と電気的に接続されると共に該一面及び/又は該対面に配設された外部電極層と、を備え、
上記内部電極層、上記ビア電極及び上記外部電極層は金属ニッケルを主成分とし、
上記誘電体層はチタン酸バリウムを主成分とすると共に、上記一面側及び上記対面側に各表層部を有し、該表層部を構成する該誘電体層は、その全層に金属ニッケルを含み、
上記外部電極層として、複数の上記ビア電極を連結した一体のものを少なくとも1つ有することを特徴とする積層コンデンサ。
(2)上記表層部に含まれる金属ニッケルは、各該表層部を100体積%とした場合に各々3〜30体積%である上記(1)に記載の積層コンデンサ。
(3)上記表層部の厚さは各々10〜100μmである上記(1)又は(2)に記載の積層コンデンサ。
表層部に含まれる金属ニッケルが、各表層部を100体積%とした場合に各々3〜30体積%である場合は、高い絶縁性を維持しながら、優れた機械的強度を得ることができる。
表層部の厚さが各々10〜100μmである場合は、更に高い絶縁性を維持しながら、より優れた機械的強度を得ることができる。
以下、本発明において製造する積層コンデンサを図1〜11を参照して説明する。尚、便宜上、各部の符号として焼成前後で同じ符号を用いる。
本発明の積層コンデンサは、
一面及び対面を有する積層コンデンサにおいて、
上記一面及び上記対面の間に形成された複数の誘電体層と、該誘電体層を介して積層された複数の内部電極層と、該内部電極層同士を電気的に接続している複数のビア電極と、該ビア電極と電気的に接続されると共に該一面及び/又は該対面に配設された外部電極層と、を備え、
上記内部電極層、上記ビア電極及び上記外部電極層は金属ニッケルを主成分とし、
上記誘電体層はチタン酸バリウムを主成分とすると共に、上記一面側及び上記対面側に各表層部を有し、該表層部を構成する該誘電体層は、その全層に金属ニッケルを含み、
上記外部電極層として、複数の上記ビア電極を連結した一体のものを少なくとも1つ有することを特徴とする積層コンデンサ。
(2)上記表層部に含まれる金属ニッケルは、各該表層部を100体積%とした場合に各々3〜30体積%である上記(1)に記載の積層コンデンサ。
(3)上記表層部の厚さは各々10〜100μmである上記(1)又は(2)に記載の積層コンデンサ。
誘電体層に含まれるチタン酸バリウムの含有量は、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)の波長分散型X線分光器(WDX)により定量分析して測定し、酸化物換算して算出する。
尚、表層部に含まれる金属ニッケルの体積割合は、表層部断面から得られる走査式電子顕微鏡(SEM)の反射電子像(BEI)において明暗のコントラストが異なるため視野内に占める金属ニッケル相の面積の割合(体積割合とみなすことができる)として算出される。
一方、表層部110a及び表層部110bの厚さは、各々10〜100μmが好ましく、15〜80μmがより好ましく、20〜70μmが更に好ましく、20〜60μmが特に好ましい。但し、表層部110aと表層部110bとの厚さは同じであってもよく異なっていてもよい。この表層部110a及び表層部110bは、これら以外の誘電体層に比べて、通常、厚く形成され、表層部への金属ニッケルの含有により機械的特性を向上させると共に、内部電極層と外部電極層の絶縁を十分に得ることができる。
誘電体層110の全層数は特に限定されないが、表層部110a及び表層部100bを含めて(これらの層は各々1層と換算)、例えば、30〜200層、特に50〜160層とすることができる。
尚、金属ニッケルが含有されないとは、意図的な含有、及び、意図的な層間移動による金属ニッケルの含有、のいずれもないことを意味し、この領域をX線回折測定した場合に金属Niのピークが確認されないことを意味する。
尚、内部電極層120に含有される金属ニッケルの含有量はEPMAにより測定される。ビア電極140及び外部電極層150についても同様である。
尚、内部電極層120を構成する導電材料は、後記のビア電極及び外部電極層の各々を構成する導電材料と組成が同じでもよく、異なっていてもよいが、それぞれの電極同士の密着性及び接合強度等の観点で同じであることが好ましい。
積層コンデンサ100が備える、内部電極層120、ビア電極140及び外部電極層150は、通常、それぞれ互いに電気的に絶縁された少なくとも2個の群からなる。例えば、内部電極層120は、第1群の内部電極層121と、第1群の内部電極層121とは絶縁された第2群の内部電極層122と、を有する。同様に、ビア電極140は、第1群のビア電極141と、第1群のビア電極141とは絶縁された第2群のビア電極142と、を有する。更に、外部電極層150は、第1群の外部電極層151と、第1群の外部電極層151とは絶縁された第2群の内部電極層152と、を有する。この電気的に絶縁された各々の群は、上記のように2群でもよく、3群以上であってもよい。
本発明の積層コンデンサを製造する方法は特に限定されないが、例えば、以下のようにして製造することができる。
積層コンデンサ100は、未焼成積層体形成工程(P1)と、貫通孔形成工程(P2)と、未焼成ビア電極形成工程(P3)と、未焼成外部電極層形成工程(P4)と、をこの順に備える方法によって製造することができる(図9参照)。
尚、以下、未焼成積層体形成工程(P1)で形成された未焼成積層体を「未焼成第1積層体131」、貫通孔形成工程(P2)で未焼成第1積層体に貫通孔が形成された積層体を「未焼成第2積層体132」、未焼成ビア電極形成工程(P3)で未焼成第2積層体に未焼成ビア電極が形成された積層体を「未焼成第3積層体133」、未焼成外部電極層形成工程(P4)で未焼成第3積層体に未焼成外部電極層が形成された積層体を「未焼成第4積層体134」、という。
上記ニッケル成分はどのようなものであってもよく、金属ニッケル、ニッケル塩(粉末状及び水溶液状などとして利用)、酸化ニッケル、及び他のニッケル化合物(ニッケル塩及び酸化ニッケルを除く)等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。このうちニッケル塩としては、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、酢酸ニッケル等が挙げられる。他のニッケル化合物としては水酸化ニッケル等が挙げられる。
本発明の積層コンデンサ100は、そのまま1個の部品として用いてもよいが、キャパシタ内蔵配線基板用の積層コンデンサ(基板内蔵用積層コンデンサ)として特に好適である。
キャパシタ内蔵配線基板10(図11参照)は、通常、基板コア部20と、基板コア部20内に収容されたキャパシタ部21(例えば、本発明の積層コンデンサ100が内蔵されてなる。)と、半導体素子90を搭載可能であり、且つ少なくともキャパシタ部21の両面側に積層されたビルドアップ部30a、30bと、を備える。
尚、基板コア部20には、図11のように、その上面側20aと下面側20bとを導通するスルーホール導体202を設けることができる。このスルーホール導体はスルーホールの内部全体に充填されていてもよいが、スルーホール壁面に形成されたスルーホール導体202を除く他部が絶縁性硬化体203により閉塞された形態であってもよい。
[1]金属ニッケルを含むチタン酸バリウムの特性評価
(1)金属ニッケルの含有確認
チタン酸バリウム粉末と燒結助剤粉末(酸化カルシウム粉末、二酸化マンガン粉末及びイットリア粉末)とを混合した混合粉末に、ニッケル塩(硝酸ニッケル)を溶媒(エタノール)に溶解させた液体を加えて、湿式混合した。その後、混合物を乾燥させた後、還元雰囲気下700〜800℃で仮焼して、仮焼粉末を得た。得られた仮焼粉末をX線粉末回折測定(X線回折測定装置、株式会社リガク製、形式「Miniflex」)に供し、図12に示すX線回折チャートを得た。得られたピークからは、チタン酸バリウムのピークと金属ニッケルのピークとが認められたものの、酸化ニッケルのピークは認められなかった(図12参照)。
上記(1)と同様にして金属ニッケルの含有量が異なる8種類の仮焼粉末を得た。バインダ、分散剤及び溶剤を添加した上で造粒して造粒粉末を得た。得られた造粒粉末を粉末プレス成形した後、脱脂及び焼成(還元雰囲気下1100〜1300℃で焼成)して粗片を得た。得られた粗片の表面を研削加工して、金属ニッケル含有量が、0体積%、5体積%、10体積%、15体積%、20体積%、25体積%、30体積%及び35体積%である8種類の3点曲げ強度測定用の試験片(6mm×4mm×25mmの四角柱形状の試験片)を得た。
得られた試験片を用いて、スパン間隔16mm、曲げ速度0.5mm/分で3点曲げ強度の測定を行った。この結果を表1に示した。
上記(2)と同様にして8種類の仮焼粉末を用いて得られた各造粒粉末を粉末プレス成形した後、脱脂及び焼成(還元雰囲気下1100〜1300℃で焼成)して粗片を得た。得られた粗片の表面を研削加工して、金属ニッケル含有量が、0体積%、5体積%、10体積%、15体積%、20体積%、25体積%、30体積%及び35体積%である8種類の電気抵抗率測定用の試験片(厚さ1mm×直径14〜15mmの円板形状の試験片)を得た。得られた試験片の表裏面に銀電極(直径14mm)を焼き付け形成し、ハイレジスタンスメータ(Hewlett packard社製、形式「4339B」)を用い、100Vの電圧を60秒間負荷したときの電気的効率を測定し、その結果を表1に示した。
上記(3)と同様にして、金属ニッケル含有量が、0体積%、5体積%、10体積%、15体積%、20体積%、25体積%、30体積%及び35体積%である8種類の熱伝導率測定用の試験片(厚さ1〜2mm×直径9〜10mmの円板形状の試験片)を得た。得られた試験片について熱伝導測定装置を用い、初期定常温度30℃に設定し、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。尚、各試験片の密度は、アルキメデス法にて実測した。その結果を表1に示した。
上記(3)と同様にして、金属ニッケル含有量が、0体積%、5体積%、10体積%、15体積%、20体積%、25体積%、30体積%及び35体積%である8種類の焼成収縮率測定用の試験片(3mm×3mm×20mmの四角柱形状の試験片)を得た。得られた試験片を200〜350℃で脱脂した後、熱機械分析装置(株式会社リガク製、形式「TMA8310」、長さが既知であるアルミナ片と上記試験片の両端に一定荷重の負荷をかけて温度に対する伸縮を検出棒を介して記録する装置)を用いて毎分5℃の速度で1300℃まで昇温させた際の収縮率を測定し、その結果を表1に示した。
(1)未焼成誘電体層となるグリーンシートの作製
前記[1](1)と同様にして金属ニッケルの含有量が異なる9種類(焼成後に金属ニッケル含有量が、0体積%、5体積%、10体積%、15体積%、20体積%、25体積%、30体積%及び35体積%となる9種)の仮焼粉末を得た。得られた仮焼粉末にブチラール系バインダ、可塑剤及び溶剤を混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシートを成形し、その後、加熱して溶剤を除去してグリーンシートを作製した。尚、グリーンシートは、厚さ20μmのグリーンシート(焼成後15μm)と、厚さ5μmのグリーンシート(焼成後3μm)と、を用意し、厚さ20μmのものを表層部用に利用し、厚さ5μmのものをその他の誘電体層用に利用した。
(a)内部電極用ペースト
金属ニッケル粉末、チタン酸バリウム粉末及び有機成分(有機バインダ、可塑剤及び溶剤)を、湿式混合して内部電極用ペーストを調製した。
(b)ビア電極用ペースト
金属ニッケル粉末、チタン酸バリウム粉末及び有機成分(有機バインダ、可塑剤及び溶剤)を、湿式混合してビア電極用ペーストを調製した。
(c)外部電極層用ペースト
金属ニッケル粉末、チタン酸バリウム粉末及び有機成分(有機バインダ、可塑剤及び溶剤)を、湿式混合して外部電極層用ペーストを調製した。
上記(1)で得られたグリーンシートと上記(2)で得られた各種ペーストとを組み合わせて、未焼成内部電極層120が形成されると共に表2に示した構成を有する未焼成表層部110b、未焼成内部電極層120が形成された未焼成誘電体層110を積層・圧着してなる未焼成内部電極層と未焼成誘電体層とが交互に積層された未焼成積層部、未焼成表層部110bと同じ構成を有する未焼成表層部110a、がこの順に積層・圧着された未焼成第1積層体131を形成した。
上記(3)で形成した未焼成第1積層体131に、レーザーにより、ビアホール132cを穿孔し、未焼成第2積層体132を形成した。
上記(4)で形成した未焼成第2積層体132に穿設されたビアホール132c内に、上記(2)(b)で調製したビア電極用ペーストをスクリーン印刷により充填し、未焼成ビア電極140を有する未焼成第3積層体133を形成した。
上記(5)で形成した未焼成第3積層体133の表面に、上記(2)、(c)で調製された外部電極層用ペーストをスクリーン印刷し、未焼成外部電極層150が形成された未焼成第4積層体134を形成した。
上記(6)で形成した未焼成第4積層体134を、窒素雰囲気下で脱脂し、その後、加湿した窒素水素混合ガス雰囲気下、1100〜1400℃で焼成し、実験例9〜17(実施例;実験例10〜15、比較例;実験例9及び16、参考例;実験例17)の積層コンデンサ100を各々80個製造した。
得られた積層コンデンサ100は、全体厚さ0.8mm、平均誘電体層厚さ3μm、内部電極層間に配置された誘電体層総数150層、平均表層部厚さ60μm、表面部構成層数4層(焼成により一体化されている)、平均内部電極層厚さ1μm、内部電極層総数150層である。
上記(7)までに得られた外部電極層を有する積層コンデンサをピンセットで挟持し、予熱せずに、溶融はんだ槽に浸漬し、2秒経過後取り出すことで熱衝撃を加えた。この熱衝撃は、温度差(熱衝撃温度差)が250℃、270℃及び300℃となるように浴温度を設定し、各温度で積層コンデンサ10個づつに対して課した。
その後、積層コンデンサを厚さ方向(積層断面が目視できる方向)に切断し、切断面を研磨し、研磨面を光学顕微鏡により観察して下記層間の剥離の有無及び下記クラックの有無を確認した。
上記層間の剥離とは、光学顕微鏡によって200倍に拡大した画面において目視で確認できる表層部に隣接した内層電極層と表層部との間の剥離である。この層間剥離が1ヶ所以上認められる積層コンデンサの数を換算し、試験総数に対する百分率として表2に示した。
上記クラックとは、蛍光探傷法によって確認できる表層部に確認されるひび割れである。このクラックが1ヶ所以上認められる積層コンデンサの数を換算し、試験総数に対する百分率として表2に示した。
ハイレジスタンスメータ(アドバンテスト株式会社製、形式「R8340A」)のプローブ端子を、耐熱衝撃試験を経た外部電極層を有する積層コンデンサの端子に接触させて電圧20Vを30秒間印加して端子間抵抗値を測定し、表2に示した。
更に、金属ニッケル含有量が同等である場合、表層部の両表面部を除いた厚さ方向の一部にのみ層状に金属ニッケルが集中的に含有させた態様とすることにより、表層部の広い範囲に分散含有させる態様に比べて、より優れた絶縁性が得られることが、実験例13と実験例17との比較との比較、から分かる。
尚、本発明には含まれないものの、例えば、表層部への金属ニッケルの他の配合例としては、(1)1層目10体積%、2層目10体積%、3層目10体積%、4層目0体積%とし、表層部全体では7.5体積%の金属ニッケルが含有された構成としたり、(2)1層目10体積%、2層目10体積%、3層目0体積%、4層目0体積%とし、表層部全体では5体積%の金属ニッケルが含有された構成としたり、できる。
また、本発明には含まれないものの、本発明における表層部に含有される金属ニッケルは金属コバルトで機能的には代用できる。しかし、金属コバルトは金属ニッケルに比べて高価でありコスト的には代用が難しい。
110;誘電体層(未焼成積層誘電体層)、110a;表層部、110b;表層部、
120;内部電極層(未焼成積層内電極層)、121;第1群の内部電極層、122;第2群の内部電極層、
131;未焼成第1積層体、132;未焼成第2積層体、133;未焼成第3積層体、134;未焼成第4積層体、
140;ビア電極(未焼成ビア電極)、
150;外部電極層(未焼成外部電極層)、
160;めっき層、161;外表面めっき層、162;層間めっき層、
10;キャパシタ内蔵配線基板、
20;基板コア部、201;収容部、204;充填剤、202;スルーホール導体、203;硬化体、21;キャパシタ部(積層コンデンサ)、30a;上面側のビルドアップ部、30b;下面側のビルドアップ部、31a、31b;導体層、311a、311b;接続端子(キャパシタ内蔵配線基板表面の接続端子)、32a、32b;層間絶縁層、321a、321b;ソルダーレジスト層、
90;半導体素子。
Claims (3)
- 一面及び対面を有する積層コンデンサにおいて、
上記一面及び上記対面の間に形成された複数の誘電体層と、該誘電体層を介して積層された複数の内部電極層と、該内部電極層同士を電気的に接続している複数のビア電極と、該ビア電極と電気的に接続されると共に該一面及び/又は該対面に配設された外部電極層と、を備え、
上記内部電極層、上記ビア電極及び上記外部電極層は金属ニッケルを主成分とし、
上記誘電体層はチタン酸バリウムを主成分とすると共に、上記一面側及び上記対面側に各表層部を有し、該表層部を構成する該誘電体層は、その全層に金属ニッケルを含み、
上記外部電極層として、複数の上記ビア電極を連結した一体のものを少なくとも1つ有することを特徴とする積層コンデンサ。 - 上記表層部に含まれる金属ニッケルは、各該表層部を100体積%とした場合に各々3〜30体積%である請求項1に記載の積層コンデンサ。
- 上記表層部の厚さは各々10〜100μmである請求項1又は2に記載の積層コンデンサ。
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