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JP2004178866A - 導電性組成物とセラミック電子部品 - Google Patents

導電性組成物とセラミック電子部品 Download PDF

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Abstract

【課題】セラミック電子部品の小型化、薄型化のために微細化した金属粉に対しても有効な焼結抑制効果を発揮し、焼成後の焼結金属の連続性、表面平滑性が得られると共に、特殊な製造工程や設備を必要とせずに安価に得られるセラミック電子部品用の導電性組成物とそれを用いたセラミック電子部品を提供する。
【解決手段】電子部品用導体として使用される金属１００重量部に対して、ＢＥＴ値が２０〜２００ｍ２／ｇもしくは平均粒径が５〜６０ｎｍで融点が１５００℃以上である金属酸化物粒子を０．１〜１０．０重量部含有する。金属としてはＮｉ、Ａｇやその合金が用いられ、金属酸化物としては、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒの酸化物が用いられる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の導体として用いる導電性組成物とセラミック電子部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンデンサは小型化、大容量化が要求されており、誘電体層の薄層化とそれに伴う電極の薄層化も進められている。電極を薄層化するために、自らそれを形成する電極ペーストに用いられる金属粉も微細化する傾向にある。そのため、単位量当たりの金属粉の表面エネルギーが大きくなり、従来よりも電極の焼結開始温度が低くなる。そうすると、誘電体と電極の焼結開始温度の差が大きくなり、コンデンサにクラックやデラミネーションを生じ信頼性を低下させる原因となる。
【０００３】
一般にこれを防ぐために従来から電極ペーストに添加している共材（誘電体組成と同じか誘電体の性状を悪化させないセラミックス等）を増量することが行われる（例えば特許文献１参照。）。この共材は電極に用いられる金属粉よりも焼結開始温度が高いので、電極に混合することにより、電極の焼結開始温度を誘電体に近づけることができる。このような焼結挙動を合わせるための粉末の添加により、焼結によるクラックやデラミネーションの発生を防止することが可能となる。
【０００４】
しかし、その量を増やすことにより、電極単位体積当たりの金属成分が減少することにより、電極の導電物の連続性を阻害し、コンデンサ中での電極有効面積を小さくしてしまう。それは同設計のコンデンサでも静電容量が小さくなることを意味している。
【０００５】
セラミック積層インダクタについても小型化、低損失化が要求されている。インダクタを小型化するためには、電極ライン幅を細くして、電極厚みを薄くする必要がある。しかしこのように構成すると、電極ラインの損失を大きくし、低損失に反してしまう。インダクタもまた、電極とセラミックスの焼結開始温度に大きな差があると、クラックやデラミネーションが発生して信頼性を低下させてしまう。
【０００６】
このような問題点を解決するため、例えば特許文献２においては、ニッケル粉末を金属粉とした導電ペーストに、マグネシウム、ジルコニウム、タンタルおよび希土類元素のうちから選ばれる少なくとも１種類の元素の酸化物を添加することにより、焼成工程におけるニッケル電極の膨張を抑制し、クラックの発生を防止できると報告されている。
【０００７】
また、特許文献３においては、酸化マグネシウム層で被覆したニッケル粉末を用いることにより、焼成開始温度を高めて、クラックやデラミネーションの発生を抑えるのみならず、耐湿負荷特性を改善し、内部電極を薄層化することができるとしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２０１２２３号公報（請求項２）
【特許文献２】
特開平６−２９０９８５号公報（段落０００４）
【特許文献３】
特開２０００−３４０４５０号公報（段落００１０）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に記載の導電性組成物においては、添加する酸化物の粒径について考慮されていない。仮に金属粉と同様以上の粒径の酸化物粉末を用いるとすれば十分な焼結抑制効果（焼成開始温度を高める効果）が得られず、クラックやデラミネーションが発生しやすくなる。また、焼成後の金属の連続性や表面の平滑性を損なうことになる。
【００１０】
一方、特許文献２に記載のように、ニッケル粉末の表面をマグネシウム層により被覆するためには、特許文献２の段落００２７に記載のように、蒸着や、マグネシウム化合物塗布およびその後の焼成が必要になり、製造工程が増加すると共に、材料製造費が高くなるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み、セラミック電子部品の小型化、薄型化のために微細化した金属粉に対しても有効な焼結抑制効果を発揮し、焼成後の焼結金属の連続性、表面平滑性が得られると共に、特殊な製造工程や設備を必要とせずに安価に得られるセラミック電子部品用の導電性組成物とそれを用いたセラミック電子部品を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明による導電性組成物は、電子部品用導体として使用される導電性組成物であって、
金属１００重量部に対して、ＢＥＴ値が２０〜２００ｍ２／ｇもしくは平均粒径が５〜６０ｎｍで融点が１５００℃以上である金属酸化物粒子を０．１〜１０．０重量部含有することを特徴とする。
【００１３】
（２）本発明のセラミック電子部品は、金属１００重量部に対して、ＢＥＴ値が２０〜２００ｍ２／ｇもしくは平均粒径が５〜６０ｎｍで融点が１５００℃以上である金属酸化物粒子を０．１〜１０．０重量部含有する導体を、セラミック基体の内部、外部のうちの少なくともいずれかに有することを特徴とする。
【００１４】
（３）また、本発明の導電性組成物が用いられるセラミック電子部品は、前記電子部品がコンデンサまたはコンデンサを含む電子部品であり、かつ前記導体がコンデンサ電極であり、前記金属がＮｉからなり、前記金属酸化物がＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒのうちのいずれか１種以上の酸化物からなることを特徴とする
（４）また、本発明の導電性組成物が用いられるセラミック電子部品は、前記電子部品がインダクタまたはインダクタを含む電子部品であり、前記導体が巻線であって、前記金属がＡｇからなり、前記金属酸化物がＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒのうちのいずれか１種以上の酸化物からなることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の導電性組成物の概略構成を示す図、図２は従来例を対比して示す図である。１は導体の主材料となる金属粉であり、２は添加する金属酸化物でなる添加物である。金属酸化物２は１５００℃以上の融点を有するもので、一般的なセラミック電子部品の焼成温度である９００〜１３５０℃では溶融せず、また、ＮｉやＡｇあるいはその合金等でなる金属粉１の焼結温度では溶融しないものである。
【００１６】
図２に示すように、導体の主材である金属粉１に対して添加する金属酸化物２の平均粒径が同等あるいはそれ以上の場合には、点線３で囲んだ部分では金属粉１のみが存在し、クラックやデラミネーションを防止するための焼結抑制効果はない。一方、図１のように、金属酸化物２の平均粒径を金属粉１の平均粒径より小さくすれば、金属酸化物２の均一分散が可能となり、金属酸化物２を金属粉の粒子１の中に高分散させて存在させることができ、金属粉の粒子１どうしの接触を少なくして少量の添加で焼結を抑制することができる。
【００１７】
本発明においては、金属酸化物２の平均粒径を５〜６０ｎｍ（比表面積として表現すると２０〜２００ｍ２／ｇ）となる微粒子を用いるものであり、この平均粒径は、金属粉の粒子１の平均粒径の３分の１〜８０分の１とすることが好ましい。８０分の１未満であると燒結抑制効果が過大となり、また３分の１を超えると燒結抑制効果があまり期待できなくなるからである。
【００１８】
本発明の導電性組成物は、導体ペーストとして実現されるもので、焼結によりコンデンサの電極として形成される場合には、コンデンサ電極としてはＮｉ等が用いられ、この場合には金属酸化物として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒの酸化物のうち１種以上のものが用いられる。前記インダクタの巻線にはＡｇやその合金が用いられ、この場合には金属酸化物として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉの酸化物のうち１種以上のものが用いられる。また、本発明の導電性組成物は、コンデンサやインダクタあるいはこれらを他の素子と複合させた電子部品の外部電極としても用いることができる。
【００１９】
なお添加する金属酸化物のうち、ＭｇＯの融点は２８００℃、Ａｌ２Ｏ３は２０５０℃、ＴｉＯ２は１７５０℃、ＺｒＯ２は２６７７℃である。
【００２０】
【実施例】
（積層コンデンサ）
表１に示すように、金属粉に平均粒径０．４μｍのＮｉを用い、金属酸化物としてＡｌ２Ｏ３を用い、その平均粒径（比表面積）と添加量を種々に変えて導体ペーストを作製し、積層コンデンサを試作した。また、金属酸化物として平均粒径が１３ｎｍのＭｇＯを用いた場合、および平均粒径が３０ｎｍのＴｉＯ２を用いた場合についても試作を行った。
【００２１】
導体ペーストは、Ｎｉ粉１００重量部に対してＭｇＯの添加量を種々に変えて加え、これにエチルセルロース樹脂とターピオネールからなるビヒクルを７０重量部添加し、混練してペースト化した。
【００２２】
誘電体ペーストとしてはＢａＴｉＯ３粉を誘電体として含むものを用い、印刷法により、前記導体ペーストの層数が４層となるように積層し、１２６０℃で２時間焼成することにより、誘電体層の厚みが３μｍ、電極の厚みが１．２μｍ、外形が３．２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．５ｍｍのサイズの積層コンデンサを得た。
【００２３】
（評価）
表２は各試作品について１ｋＨｚにおける静電容量と、コンデンサ内部のクラック、デラミネーションの発生を内部解析により調べた結果を示す。表２において、合否判定の基準は、クラックやデラミネーションがないことと、現在製造しているコンデンサの静電容量（＝２５ｎＦ）以上の値が得られる場合を合格、そうでない場合を不合格とした。
【００２４】
【表１】
Figure 2004178866
【００２５】
【表２】
Figure 2004178866
【００２６】
試料番号１のようにＭｇＯの添加量が０．０５重量部の場合、添加量が少なすぎるために焼結抑制効果が小さく、焼結時の素体と電極との収縮が合わず、素体にクラックやデラミネーションが生じ、電極と素体が接していない部分が生じる上、静電容量も低下傾向にあるため、本発明の範囲外となる。
【００２７】
試料番号２〜６、９、１０の場合は、ＭｇＯの添加量が０．１〜１０．０重量部の範囲内にあり、また、ＭｇＯの平均粒径は５〜６０ｎｍの範囲内にあって、静電容量の値を所定値以上に確保でき、クラックやデラミネーションも発生していない。
【００２８】
試料番号７の場合は、ＭｇＯの添加量が１２．０重量部と多すぎるため、電極の焼結が進まず、静電容量が低下するため、本発明の範囲外である。
【００２９】
試料番号８の場合、ＭｇＯの平均粒径が１００ｎｍと大きすぎ、焼結抑制効果が小さく、クラック、デラミネーションが発生する上、静電容量も低下するので、本発明の範囲外である。
【００３０】
試料番号１１の場合、ＭｇＯの平均粒径が２ｎｍと小さすぎ、焼結抑制効果が大きすぎるため、静電容量が低下するので、本発明の範囲外である。
【００３１】
以上の結果から、金属酸化物の平均粒径は５〜６０ｎｍ（比表面積はＢＥＴ値で２０〜２００ｍ２／ｇ）であることが好ましく、添加量は０．１〜１０重量部であることが好ましい。また、静電容量を安定的に確保する上で添加量を２〜７重量部とすることがさらに好ましい。また、試料番号１２、１３から、この範囲内であれば、金属酸化物がＡｌ２Ｏ３やＴｉＯ２でも同様な効果を発揮することが判明した。また、金属酸化物がＺｒＯ２である場合にも同様の効果が得られた。
【００３２】
（積層インダクタ）
巻線導体の主材料となる金属粉として平均粒径０．５μｍのＡｇを用い、金属酸化物としてＡｌ２Ｏ３を用い、その平均粒径（比表面積）と添加量を表３に示すように種々に変えて導体ペーストを作製し、積層インダクタを試作した。また、金属酸化物がそれぞれＭｇＯ、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２である場合についてもそれぞれ平均粒径が２５ｎｍ、３０ｎｍのものについても試作を行った。
【００３３】
導体ペーストは、Ａｇ粉１００重量部に対してＡｌ２Ｏ３の添加量を種々に変えて加え、これにエチルセルロース樹脂とブチルカルビノールからなるビヒクルを３０重量部添加し、混練してペースト化した。
【００３４】
絶縁体ペーストとしてはホウ珪酸ガラスとＡｌ２Ｏ３との混合粉を絶縁体として含むものを用い、印刷法により、ターン数が３となるように積層し、９００℃で１０分焼成することにより、内部導体の幅が１００μｍ、その厚みが１５μｍで、外形が１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．４ｍｍのサイズで内部にスパイラル形状の巻線を形成した積層インダクタを得た。
【００３５】
（評価）
表４は、評価は５００ＭＨｚにおけるＱの測定結果と、インダクタ内部のクラック、デラミネーションの発生を内部解析により調べた結果を示す。表４において、合否判定の基準は、クラックやデラミネーションがないことと、現在製造しているインダクタのＱ値（＝２７）以上の値が得られる場合を合格、そうでない場合を不合格とした。
【００３６】
試料番号１のようにＡｌ２Ｏ３の添加量が０．０５重量部の場合、添加量が少ないため、焼結抑制効果が小さく、導体が高密度化し、Ｑは高くなるものの、焼結時の素体と電極との収縮が合わず、素体にクラックが生じる。さらに外部電極のメッキ時にメッキ液がクラックに浸入し、素体密度が低下し、工程上の不具合を生じるため、本発明の範囲外となる。
【００３７】
試料番号２〜６、９、１０の場合は、Ａｌ２Ｏ３の添加量が０．１〜１０．０重量部の範囲内にあり、また、Ａｌ２Ｏ３の平均粒径は５〜６０ｎｍの範囲内にあって、Ｑの値を所定値以上に確保でき、クラックやデラミネーションも発生していない。
【００３８】
試料番号７の場合は、Ａｌ２Ｏ３の添加量が１２．０重量部と多すぎるため、巻線となる導体の焼結が進まず、巻線の直流抵抗が増加し、Ｑ値が低下するので、本発明の範囲外である。
【００３９】
試料番号８の場合、Ａｌ２Ｏ３の平均粒径が１００ｎｍと大きすぎ、焼結抑制効果が小さく、クラック、デラミネーションが発生するので、本発明の範囲外である。
【００４０】
【表３】
Figure 2004178866
【００４１】
【表４】
Figure 2004178866
【００４２】
試料番号１１の場合、Ａｌ２Ｏ３の平均粒径が２ｎｍと小さすぎ、焼結抑制効果が大きすぎるため、Ｑ値が低下するので、本発明の範囲外である。
【００４３】
以上の結果から、金属酸化物の平均粒径は５〜６０ｎｍ（比表面積はＢＥＴ値で２０〜２００ｍ２／ｇ）であることが好ましく、添加量は０．１〜１０重量部であることが好ましい。また、Ｑ値をより高い値に安定的に確保する上で、添加量を２〜７．５重量部とすることがさらに好ましい。また、試料番号１２、１３のデータから、この範囲内であれば、金属酸化物がＭｇＯ、ＺｒＯ２またはＴｉＯ２でも同様な効果を発揮することが判明した。
【００４４】
本発明の導電性組成物は、コンデンサの内部電極や積層インダクタの巻線のみならず、コンデンサやインダクタあるいは他の電子部品の外部電極にも用いることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック電子部品の小型化、薄型化のために導体形成のために微細化した金属粉を用いた場合においても、平均粒径の小さな金属酸化物が金属粉に対して有効な焼結抑制効果を発揮し、クラックやデラミネーションを有効に防止することができる。また、金属酸化物が細かいため、焼成後の焼結金属の連続性、表面平滑性が得られる。また、共材を減少させ、電子部品の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による導電性組成物の概略構成を示す図である。
【図２】本発明による導電性組成物の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１：金属粉粒子、２：金属酸化物

Claims (4)

  1. 電子部品用導体として使用される導電性組成物であって、
    金属１００重量部に対して、ＢＥＴ値が２０〜２００ｍ２／ｇもしくは平均粒径が５〜６０ｎｍで融点が１５００℃以上である金属酸化物粒子を０．１〜１０．０重量部含有する
    ことを特徴とする導電性組成物。
  2. 金属１００重量部に対して、ＢＥＴ値が２０〜２００ｍ２／ｇもしくは平均粒径が５〜６０ｎｍで融点が１５００℃以上である金属酸化物粒子を０．１〜１０．０重量部含有する導体を、セラミック基体の内部、外部のうちの少なくともいずれかに有する
    ことを特徴とするセラミック電子部品。
  3. 請求項２に記載のセラミック電子部品において、
    前記電子部品がコンデンサまたはコンデンサを含む電子部品であり、かつ前記導体がコンデンサ電極であり、前記金属がＮｉからなり、前記金属酸化物がＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒのうちのいずれか１種以上の酸化物からなる
    ことを特徴とするセラミック電子部品。
  4. 請求項２に記載のセラミック電子部品において、
    前記電子部品がインダクタまたはインダクタを含む電子部品であり、前記導体が巻線であって、前記金属がＡｇからなり、前記金属酸化物がＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒのうちのいずれか１種以上の酸化物からなる
    ことを特徴とするセラミック電子部品。
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