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JP2016219624A - 積層型コンデンサおよびその実装構造体 - Google Patents

積層型コンデンサおよびその実装構造体 Download PDF

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JP2016219624A
JP2016219624A JP2015103766A JP2015103766A JP2016219624A JP 2016219624 A JP2016219624 A JP 2016219624A JP 2015103766 A JP2015103766 A JP 2015103766A JP 2015103766 A JP2015103766 A JP 2015103766A JP 2016219624 A JP2016219624 A JP 2016219624A
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Hiroki Ishizuka
裕樹 石塚
勝一 加藤
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Abstract

【課題】 基板への振動の伝播を抑制する積層型コンデンサを提供する。
【解決手段】 積層型コンデンサ10であって、誘電体層1aと内部電極2とが交互に積層された直方体状の積層体1と、積層体1の外表面に設けられた、互いに異なる内部電極2にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極3とを備えており、積層体1は、誘電体層1aと内部電極2との積層方向に位置する一対の長方形状の主面と、主面の長辺側に隣接する一対の側面と、主面の短辺側に隣接する一対の端面とを有し、一対の外部電極3は、端面の中央部を含むように端面に設けられた外部電極側面部3a1(3b1)と外部電極側面部3a1(3b1)から一対の主面上に延在する延在部3a2(3b2)を有しており、延在部3a2(3b2)の積層体1の短手方向に沿った長さは、外部電極側面部側が主面の中央側よりも大きい。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の誘電体層と内部電極とが交互に積層された積層体に一対の外部電極を形成した積層型コンデンサに関するものである。
積層型コンデンサは、誘電体層と内部電極とが交互に積層されており、誘電体層を構成するセラミック材料としては、誘電率が比較的高いチタン酸バリウム等の強誘電体材料が一般的に用いられている。このような積層型コンデンサに交流成分が重畳された直流電圧が印加されると、電圧による電歪効果から誘電体層に歪みが発生し、積層型コンデンサ自体が振動する。積層型コンデンサは、はんだ等を介して基板に実装されており、積層型コンデンサの振動は、基板に伝播し、基板に伝播した振動により、基板が共鳴して振動が増幅され、基板において振動音が発生する。そして、基板が可聴域の共振周波数で共振した際に、基板から可聴音が生じ、いわゆる、「音鳴き」という現象が生じる。具体的には、積層型コンデンサは、一対の外部電極と基板とがはんだを介して実装されており、積層型コンデンサの振動が外部電極に形成されたはんだ接合部を介して基板を変形させるので、基板において振動音が発生することになる。
積層型コンデンサは、「音鳴き」を低減するとして、積層体の長手方向の両端面の中央部に一対の外部電極を設けている。このような積層型コンデンサは、例えば、特許文献1に開示されているものがある。
特開2015−15446号公報
しかしながら、上述の積層型コンデンサの構造では、積層型コンデンサの厚さ方向の変位が考慮されておらず、十分な振動の抑制効果が得られないという問題点があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、「音鳴き」をより低減することができる積層型コンデンサおよび実装構造体を提供することにある。
本発明の積層型コンデンサは、誘電体層と内部電極とが交互に積層された略直方体状の積層体と、該積層体の外表面に設けられた、互いに異なる前記内部電極にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極とを備えており、前記積層体は、前記誘電体層と前記内部電極との積層方向に位置する一対の長方形状の主面と、該一対の主面間に位置するとともに前記主面の長辺側に隣接する一対の側面と、前記一対の主面間に位置するとともに前記主面の短辺側に隣接する一対の端面とを有し、前記一対の外部電極は、前記端面の中央部を含むように前記端面に設けられた外部電極側面部と該外部電極側面部から前記一対の主面上に延在する延在部とを有しており、該延在部の前記積層体の短手方向に沿った長さは、前記外部電極側面部側が前記主面の中央側よりも大きいことを特徴とするものである。
本発明の積層型コンデンサの実装構造体は、上述の積層型コンデンサと基板とが、前記一対の主面のいずれか一方と前記基板の実装面とが対向するように配置されるとともに、前記一対の外部電極を介して接合されていることを特徴とするものである。
本発明の積層型コンデンサによれば、積層体の表面における外部電極の延在部の幅が端部から中央部に向かって小さくなっているので、基板への振動の伝播を抑制することができる。
(a)は、実施の形態に係る積層型コンデンサを示す概略の斜視図であり、(b)は、(a)に示す積層型コンデンサのA−A線で切断した断面図であり、(c)は、(a)に示す積層型コンデンサのB−B線で切断した切断部端面図である。 (a)〜(c)は、内部電極を説明するための平面図である。 図1に示す積層型コンデンサを主面側から平面視した平面図である。 (a)および(b)は、図1に示す積層型コンデンサの他の例を主面側から平面視した平面図である。 図1に示す積層型コンデンサを端面側から側面視した側面図である。 (a)は、図1に示す積層型コンデンサを基板上に基板実装した状態を示す概略の斜視図であり、(b)は、(a)に示す積層型コンデンサをC−C線で切断したものであって、基板実装した実装構造を示す断面図である。 (a)は、従来の積層型コンデンサを示す概略の斜視図であり、(b)は、座標軸のZ軸方向からみた平面図であり、(c)は、(b)の積層型コンデンサを基板上に基板実装してD−D線で切断した従来の実装構造体を示す断面図である。 音圧レベルの測定装置の概略図である。 (a)は、従来の実装構造体における積層型コンデンサの音鳴きを実測した音圧レベルを示すグラフであり、(b)は、シミュレーションにより得られた音圧レベルを示すグラフである。 従来の積層型コンデンサ単体に4VのDCバイアスを印加した場合のインピーダンス測定結果を示すグラフである。 従来の積層型コンデンサ単体の、インピーダンスのシミュレーションに使用した有限要素法のモデルの模式図である。 (a)は、従来の積層型コンデンサ単体の10kHzにおける振動の計算結果を示す対称面側からみた斜視図であり、(b)は、従来の積層型コンデンサ単体の10kHzにおける振動の計算結果を示す表面側からみた斜視図である。 (a)は、従来の積層型コンデンサ単体における振動モードの節状部を模式的に示す斜視図であり、(b)は、(a)の振動モードの節状部に外部電極を設けた状態を模式的に示す斜視図である。 (a)〜(d)は、図1に示す積層型コンデンサの外部電極形状の他の例を説明するための側面図である。 (a)および(b)は、図14(b)および図14(d)に示した外部電極における溶融はんだの這い上がりを模式的に説明するための説明図である。
<実施の形態>
以下、本発明の実施の形態に係る積層型コンデンサ10について図面を参照しながら説明する。また、積層型コンデンサ10は、いずれの方向が上方もしくは下方とされてもよいものであるが、便宜的に、直交座標系XYZを定義するとともに、Z方向の正側を上方として、上面もしくは下面の用語を用いるものとする。本実施の形態では、一対の主面(第1の主面4aおよび第2の主面4b)の一方が上面となり、他方が下面となる。なお、各図面において、同じ部材、部分に関しては共通の符号を用い、重複する説明は省略する。
図1(a)は、本発明の実施の形態に係る積層型コンデンサ10を示す概略の斜視図であり、積層型コンデンサ10は、誘電体層1aと内部電極2(第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2b)とが交互に積層された略直方体形状の積層体1と、積層体1の長手方向の両端面に設けられ、互いに異なる内部電極2にそれぞれ接続された一対の外部電極3(第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3b)と、を備えている。
積層体1は、内部に第1の内部電極2aと第2の内部電極2bとが交互に誘電体層1aを介して積層されたものである。
また、積層体1は、誘電体層1aと内部電極2(第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2b)との積層方向に位置する一対の長方形状の主面(第1の主面4aおよび第2の主面4b)と、一対の主面間に位置するとともに主面の長辺側に隣接する一対の側面(第1の側面4eおよび第2の側面4f)と、一対の主面間に位置するとともに主面の短辺側に隣接する一対の端面(第1の端面4cおよび第2の端面4d)とを有している。
また、一対の外部電極3は、図1に示すように、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)と延在部3a2(延在部3b2)とを有しており、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)は、第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部を含むように第1の端面4c(第2の端面4d)に設けられ、延在部3a2(延在部3b2)は、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)から積層体1の長手方向(X方向)の中央部に向かって一対の主面(第1の主面4aおよび第2の主面4b)上に延在している。
このように、第1の外部電極3aは、外部電極側面部3a1が第1の端面4cの中央部を含むとともに両端部を含まないように設けられ、延在部3a2が外部電極側面部3a1から第1の主面4aおよび第2の主面4bの長手方向(X方向)の中央部に向かって第1の主面4aおよび第2の主面4b上に延在している。
また、第2の外部電極3bは、外部電極側面部3b1が第2の端面4dの中央部を含むとともに両端部を含まないように設けられ、延在部3a2が外部電極側面部3b1から第1の主面4aおよび第2の主面4bの長手方向(X方向)の中央部に向かって第1の主面4aおよび第2の主面4b上に延在している。
内部電極2は、第1の内部電極2aと第2の内部電極2bとを含んでおり、第1の内部電極2aと第2の内部電極2bとは、所定間隔を介して互いに対向しており、図1に示すように、積層体1内の複数の誘電体層1aを介して積層方向に所定間隔をおいて交互に配置されている。また、内部電極2は、積層体1の第1の主面4aおよび第2の主面4bに略平行となるように設けられている。
第1の外部電極3aは、積層体1の長手方向(X方向)に位置する第1の端面4cの中央部を含むように設けられ、第1の端面4cに引き出された第1の内部電極2aに電気的に接続されている。また、第2の外部電極3bは、積層体1の長手方向(X方向)に位置する第2の端面4dの中央部を含むように設けられ、第2の端面4dに引き出された第2の内部電極2bに電気的に接続されている。
第1の端面4cの中央部とは、第1の端面4cを垂直に2等分する2等分線を含む領域であり、第1の外部電極3aはこの領域を含んで設けられている。また、第2の端面4dの中央部とは、第2の端面4dを垂直に2等分する2等分線を含む領域であり、第2の外部電極3bはこの領域を含んで設けられている。なお、図2(a)において、2等分線8を長鎖線で示している。
このように、内部電極2は、1層毎に異なる外部電極3に電気的に接続されており、外部電極3に電圧が印加されることにより、異なる外部電極3に接続した一対の内部電極2(第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2b)に挟まれた誘電体層1aにおいて静電容量が発生する。
積層体1は、図1に示すように、複数の誘電体層1aと内部電極2とが積層されて略直方体状に形成されており、互いに対向する一対の主面(第1の主面4aおよび第2の主面4b)と、互いに対向する一対の端面(第1の端面4cおよび第2の端面4d)と、互いに対向する一対の側面(第1の側面4eおよび第2の側面4f)とを有している。一対の端面が一対の主面間に位置するとともに一対の主面に直交しており、一対の側面が、一対の主面間に位置するとともに一対の主面に直交しており、一対の端面と一対の側面とが直交している。略直方体状とは、立方体形状または直方体形状のみならず、例えば、直方体の稜線部分に面取りが施され、稜線部分がR形状となっているものを含んでいる。
積層体1は、誘電体層1aの表面に内部電極2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焼成することで得られる焼結体である。このように、積層体1は、略直方体状に形成されており、誘電体層1aおよび内部電極2の積層方向(Z方向)に直交する方向の断面(XY面)となる平面が長方形状となっている。
このような構成の積層型コンデンサ10の寸法は、長手方向(Y方向)の長さが、例えば、0.6(mm)〜2.2(mm)、短手方向(X方向)の長さが、例えば、0.3(mm)〜1.5(mm)、高さ方向(Z方向)の長さが、例えば、0.3(mm)〜1.2(mm)である。
誘電体層1aは、積層方向(Z方向)からの平面視において長方形状である。図1(b)および図1(c)に示した誘電体層1aおよび内部電極2の構造は模式的なものであり、実際には数層〜数百層の誘電体層1aと内部電極2とが積層されたものが多く用いられており、1層当たりの厚みが、例えば、0.2(μm)〜3(μm)である。積層体1は、例えば、10(層)〜1000(層)からなる複数の誘電体層1aと内部電極2とがZ方向に積層されている。また、積層体1内の内部電極2の積層数は、積層型コンデンサ10の特性等に応じて適宜に設定される。
誘電体層1aは、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸カルシウム(CaTiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)またはジルコン酸カルシウム(CaZrO)等である。また、誘電体層1aは、高い誘電率の点から、特に、誘電率の高い強誘電体材料としてチタン酸バリウムを用いることが好ましい。
第1の内部電極2aは、図2(b)に示すように、第1の端面4c側の中央部に第1の端面4cへの引出部2aaを有しており、図1および図2に示すように、誘電体層1a間に設けられ、引出部2aaが第1の端面4cに引き出され、第1の端面4cに露出するように配置されている。
また、第2の内部電極2bは、図2(c)に示すように、第2の端面4d側の中央部に第2の端面4dへの引出部2baを有しており、誘電体層1a間に設けられ、引出部2baが第1の端面4cに対向する第2の端面4dに引き出され、第2の端面4dに露出するように配置されている。なお、第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2bは、第1の側面4eおよび第2の側面4fには露出していない。
図2(a)においては、第1の端面4cに露出する第1の内部電極2aを実線で示し、第2の端面4dに露出する第2の内部電極2bを破線で示している。第1の内部電極2a
および第2の内部電極2bは、図2に示すように、引出部2aaおよび引出部2baの長手方向(Y方向)の長さが同じになるように形成されている。
また、第1の内部電極2の引出部2aaは、振動の対称性を保ち、実装の際に基板を振動させる要素を低減できるという点から、第1の端面4cにおける露出部において第1の端面4cの2等分線8が含まれるように形成されることが好ましく、また、第2の内部電極2bの引出部2baは、振動の対称性を保ち、実装の際に基板を振動させる要素を低減できるという点から、第2の端面4dにおける露出部において第2の端面4dの2等分線8が含まれるように形成されることが好ましい。
内部電極2(第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2b)の導電材料は、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)または金(Au)等の金属材料、あるいは、これらの金属材料の一種以上を含む、例えば、Ag−Pd合金等の合金材料である。また、第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2bは、電極の厚みが、例えば、0.2(μm)〜2(μm)であり、用途に応じて厚みを適宜に設定すればよい。また、第1の内部電極2aおよび第2の内部電極2bは、同一の金属材料または合金材料によって形成することが好ましい。
第1の外部電極3aは、積層体1の長手方向に位置する第1の端面4cの中央部に設けられており、第2の外部電極3bは、積層体1の長手方向に位置する第2の端面4dの中央部に設けられている。第1の外部電極3aは、第1の端面4cに引き出された第1の内部電極2aの引出部2aaを覆うように形成されており、第1の内部電極2aに電気的に接続されている。また、第2の外部電極3bは、第2の端面4dに引き出された第2の内部電極2bの引出部2baを覆うように形成されており、第2の内部電極2bに電気的に接続されている。また、第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bは、例えば、スクリーン印刷法またはローラ転写法等を用いて、第1の端面4cおよび第2の端面4dに形成することができる。
図1に示すように、第1の外部電極3aは、第1の端面4cに設けられるとともに、第1の端面4cの外部電極側面部3a1から第1の主面4aおよび第2の主面4bの表面にそれぞれ延在して設けられており、第1の主面4aおよび第2の主面4b上に延在部3a2を有している。また、第2の外部電極3bは、第2の端面4dに設けられるとともに、第2の端面4dの外部電極側面部3b1から第1の主面4aおよび第2の主面4bの表面にそれぞれ延在して設けられており、第1の主面4aおよび第2の主面4b上に延在部3b2を有している。
このように、一対の外部電極3(第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3b)は、図1に示すように、積層体1の表面(第1の端面4cおよび第2の端面4d、第1の主面4aおよび第2の主面4b)に形成されている。なお、一対の外部電極3は、下地電極5と下地電極5を覆う金属層6とを有している。
一対の外部電極3(第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3b)は、下地電極5と金属層6とを含んでおり、一対の下地電極5は、一方が第1の端面4cから第1の主面4aおよび第2の主面4bに延在するように形成され、また、他方が第2の端面4dから第1の主面4aおよび第2の主面4bに延在するように形成されている。金属層6は、下地電極5を覆うように下地電極5の表面上に形成されている。
一対の下地電極5は、一方が第1の端面4cに引き出された第1の内部電極2aに電気的に接続され、他方が第2の端面4dに引き出された第2の内部電極2bに電気的に接続されている。下地電極5の導電材料は、例えば、Cu(銅)、ニッケル(Ni)、銀(A
g)、パラジウム(Pd)または金(Au)等の金属材料、あるいは、これらの金属材料の一種以上を含む、例えば、Cu−Ni合金等の合金材料である。また、一対の下地電極4は、積層体1の表面に同一の金属材料または同一の合金材料によって形成することが好ましい。
このように、第1の外部電極3aは、下地電極5と金属層6とから構成されており、第1の端面4cにおいて、第1の主面4aから第2の主面4bにわたって設けられており、第2の外部電極3bは、下地電極5と金属層6とから構成されており、第2の端面4dにおいて、第1の主面4aから第2の主面4bにわたって設けられている。
図1(b)に示すように、下地電極5は、積層体1の表面に形成されており、金属層6は、下地電極5の全体を覆うように形成されている。また、金属層6は、図1(b)に示すように、第1の金属層6aと第2の金属層6bとを含んでおり、第1の金属層6aは下地電極5を覆うように形成されており、第2の金属層6bは第1の金属層6aの外側に位置している。
図1(b)に示すように、第1の金属層6aは、下地電極5を覆うように下地電極5の表面上に形成され、第2の金属層6bは、第1の金属層6aの外側に形成されている。
金属層6は、例えば、第1の金属層6aおよび第2の金属層6bがめっき層で形成される。第1の金属層6aのめっき層は下地電極5を覆うように形成され、第2の金属層6bのめっき層は第1の金属層6aのめっき層を覆うように第1の金属層6aのめっき層の表面上に形成される。
第1の金属層6aおよび第2の金属層6bのめっき層は、例えば、ニッケル(Ni)めっき層、銅(Cu)めっき層、金(Au)めっき層、銀(Ag)めっき層または錫(Sn)めっき層等で形成される。第1の金属層6aのめっき層は、厚みが、例えば、5(μm)〜10(μm)であり、第2の金属層6bのめっき層は、厚みが、例えば、3(μm)〜5(μm)である。積層型コンデンサ10は、例えば、第1の金属層6aがニッケル(Ni)めっき層であり、第2の金属層6bが錫(Sn)めっき層である。
図3は、本実施形態の積層型コンデンサ10を積層方向(Z方向)から平面視したものである。本実施形態では、積層体1の長手方向(X方向)に沿った長さをL1、短手方向(Y方向)に沿った長さをL2としたとき、L1>L2である。本実施形態では、図3に示すように、積層体1の短手方向(Y方向)において、延在部3a2の第1の端面4c側、すなわち、外部電極側面部3a1側の端部(以下、外端部ともいう)の長さをW1aとし、第1の主面4a(第2の主面4b)の長手方向(X方向)の中央側の端部(以下、内端部ともいう)の長さをW2aとしたとき、W1a>W2aである。また、同様に、積層体1の短手方向(Y方向)において、延在部3b2の第2の端面4d側、すなわち、外部電極側面部3b1側の端部(以下、外端部ともいう)の長さをW1bとし、第1の主面4a(第2の主面4b)の長手方向(X方向)の中央側の端部(以下、内端部ともいう)の長さをW2bとしたとき、W1b>W2bである。W1aおよびW1bは、同じ長さであっても異なる長さであってもよい。また、W2aおよびW2bは、同じ長さであっても異なる長さであってもよい。
換言すれば、積層体1の短手方向(Y方向)に沿った、延在部3a2の長さは、延在部3a2の外部電極側面部3a1側の端部(外端部)を最大として中央側にかけて小さくなる形状を有している。また、積層体1の短手方向(Y方向)に沿った、延在部3b2の長さは、延在部3b2の外部電極側面部3b1側の端部(外端部)を最大として中央側にかけて小さくなる形状を有している。
具体的には、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)側、すなわち、第1の主面4a(第2の主面4b)の短辺側を底辺(下底)とした台形状(図3)、三角形状(図4(a))、また、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)側、すなわち、第1の主面4a(第2の主面4b)の短辺側を弦とした弓状(半円状、半楕円状を含む)(図4(b))などの形状が挙げられる。三角形状または台形状などの多角形状では、その角部(頂点)が丸みを帯びている場合も含むものとする。また、延在部3a2(延在部3b2)の内端部は、外部電極側面部3a1((外部電極側面部3b1)側に向かって窪んだ形状をなしていてもよい。なお、延在部3a2および延在部3b2の形状が、図4(a)に示すように、三角形状または弓状をなし、内端部のY方向の長さの評価が困難な場合には、延在部3a2(延在部3b)のX方向の長さP1に対して、外端部からP1の0.9倍の位置を内端部として評価してもよい。
図5は、本実施形態の積層型コンデンサ10を第1の端面4c(第2の端面4d)側からみた側面図であり、W3は、第1の端面4c(第2の端面4d)における外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の積層体1の短手方向(Y方向)に沿った長さである。また、H0は、積層体1の積層方向における積層型コンデンサ10の高さであり、H1は、第1の端面4c(第2の端面4d)側における、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の積層方向に沿った長さである。なお、本実施形態ではH1=H0であり、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)は、第1の端面4c(第2の端面4d)において上側から下側にわたって設けられている。また、第1の端面4cおよび第2の端面4dにおけるW3は、同じ長さであっても異なる長さであってもよい。
本実施形態の積層型コンデンサ10の実装構造について以下に説明する。
図6(a)は、積層型コンデンサ10を基板9に実装した状態を示しており、図6(b)は、積層型コンデンサ10を基板9に実装した状態における、図6(a)のC−C線で切断した断面図である。
積層型コンデンサ10は、例えば、はんだを介して回路基板(以下、基板9という)上に実装される。基板9は、例えば、ノートパソコン、スマートフォンまたは携帯電話等に用いられるものであり、例えば、表面には積層型コンデンサ10が電気的に接続される電気回路が形成されている。なお、基板9は、表面の絶縁層を省略して示している。
また、基板9は、図6に示すように、例えば、積層型コンデンサ10が実装される表面には、基板電極9aおよび基板電極9bが設けられており、基板電極9aから配線(図示せず)が延びており、また、基板電極9bから配線(図示せず)が延びている。積層型コンデンサ10は、例えば、第1の外部電極3aと基板電極9aとがはんだを介してはんだ接合され、また、第2の外部電極3bと基板電極9bとがはんだを介してはんだ接合される。はんだ接合された積層型コンデンサ10は、第1の主面4aおよび第2の主面4bのいずれか一方が基板9の実装面と対向している。
本実施形態の積層型コンデンサ10の実装構造体は、図6に示すように、第1の外部電極3aと基板電極9aとがはんだ等の導電性材料を介して接合され、また、第2の外部電極3bと基板電極9bとがはんだ等の導電性材料を介して接合されている。はんだ接合は、例えば、基板電極9aおよび基板電極9b上に印刷したはんだによって行なう。
本実施形態においては、積層型コンデンサ10は、第1の主面4bが基板9の実装面に対向して配置されている。第1の外部電極3aと基板電極9aとの間および第2の外部電極3bと基板電極9bとの間には、はんだ層が形成され、外部電極側面部3a1および外
部電極側面部3b1に沿ってはんだフィレット層7が形成される。Cは、図6(b)に示すように、基板9の実装面と積層型コンデンサ10との間隔であり、H2は基板9の実装面からのはんだフィレット層7の高さである。基板9にはんだを印刷して積層型コンデンサ10を実装する場合、使用する材料は、外部電極3との濡れ性のよいものであれば特に制限はない。
一方、従来の積層型コンデンサ100は、図7(a)に示すように、略直方体状の積層体101と、その両端部の外表面に設けられた外部電極103と、を備えている。図7(b)は、図7(a)のz軸方向から見た平面図である。図7(c)は、図7(b)のD−D線で切断した断面図であり、基板90に実装した積層型コンデンサ100の従来の実装構造体を示している。
積層体101は、図7(c)に示すように、誘電体層101aと内部電極102とが交互に積層されたものである。内部電極102は、積層体101の両端部のいずれか一方において外部電極103と電気的に接続されている。また、積層型コンデンサ100において、誘電体層101a、内部電極102および外部電極103は、本実施形態の積層型コンデンサ10と同様な材料を用いている。
従来の積層型コンデンサ100は、図7(c)に示すように、外部電極103と、基板90上の基板電極90a、90bとが、はんだを介して電気的に接続された状態で固定される。はんだは、外部電極103と基板電極90a、90bとの間の隙間を埋めるとともに、積層体101の端面と、側面および上下の主面の一部を被覆する外部電極103をさらに被覆してはんだフィレット層70を形成している。具体的には、はんだフィレット層70は、外部電極103の両側面部に沿って形成される。
このような状態で実装された積層型コンデンサ100に、直流電圧(DCバイアス)とともに交流電圧が印加されると、直流電圧による電歪効果のため誘電体層101aに圧電的な性質が生じ、交流電圧により圧電振動が発生する。さらに、積層型コンデンサ100の圧電振動がはんだフィレット層70を介して基板90に伝わって基板90が振動し、基板90が可聴域の共振周波数で共振した際に「音鳴き」と呼ばれる振動音が発生する。
一例として、従来の積層型コンデンサ100を基板90に実装した場合の音鳴きを測定した。測定には、積層型コンデンサ100として1005型の積層型コンデンサ(容量10μF、定格電圧4V、以下、評価部品ともいう)、基板90としては100×40mm、厚さ0.8mmのFR4(Flame retardant Type4)材からなるガラスエポキシ基板を用いた。積層型コンデンサ100は、Sn−Ag−Cu(SAC)系のはんだを用いて基板90の中央に実装した。評価部品を基板90に実装した後、実装状態をマイクロスコープにて観察し、はんだフィレット層70の高さが460μm、基板90と評価部品との間隔Cが45μmであることを確認した。
測定は、図8に示すような音圧レベルの測定装置を用いて行った。評価部品を基板90に実装した実装基板21(以下、単に実装基板ともいう)を無響箱22(内寸600×700mm、高さ600mm)内に設置し、基板90の中央から基板90に垂直な方向に3mm離間した位置に集音マイク23を設置した。集音マイク23により音鳴きを集音し、アンプ24およびFETアナライザ25(小野測器製 DS2100)で、集音された音の音圧レベルを測定した。積層型コンデンサ100に対して4Vの直流電圧(DCバイアス)および20Hz〜20kHz、1Vp−pの交流電圧を印加した際の音鳴き測定結果を図9(a)に示す。
なお、図9(a)においては、音圧レベルをA特性音圧レベル(dBA)で示している
。A特性音圧レベルの0dBAは、人間が音として聞こえる最低の音圧レベルに相当する。A特性音圧レベルは人間の聴覚に近くなるように周波数毎に重み付けされた音圧レベルであり、サウンドレベルメータ(騒音計)の規格(JISC1509−1:2005)に記載されている。
次に、積層型コンデンサ100単体の圧電振動についてシミュレーションを行なった。まず、評価部品に、4Vの直流電圧(DCバイアス)を印加した状態でインピーダンスを測定した。測定結果を図10に示す。
また、評価部品に基くモデル(誘電体材料:チタン酸バリウム系材料、内部電極:Ni、外部電極(下地電極):Cu、積層体寸法:1100×620×620μm、外部電極厚み20μm)を用いてインピーダンスのシミュレーションを行った。2GHz以上の周波数領域に存在する圧電共振ピークについて、測定した実測値に合致するように、評価部品の材料パラメータのフィッティングを行った。図11はインピーダンスのシミュレーションに使用した有限要素法のモデルを模式的に示したものである。これは、対称性を考慮した1/8モデルであり、図11の前面に現れている2つの断面、および下側の断面は対称面である。
フィッティングにより得られた誘電体層101aのパラメータ(弾性スティフネスcijおよび圧電定数eij)を表1に示す。表1より、評価部品の誘電体層101aの材料特性には異方性(c11>c33、c22>c33)があることがわかる。これは、内部電極102による圧縮応力に起因するものと考えられる。
得られた誘電体層101aのパラメータと、測定に用いた実装基板21(はんだフィレ
ット層高さ460μm、基板と評価部品との間隔45μm)に基いて、実装構造のモデルを作成し、シミュレーションを行った。図9(b)は、シミュレーションによって得られた実装基板21の振動振幅を、A特性音圧レベルに換算した結果を示すグラフである。音鳴きの周波数特性は、評価部品の振動特性と実装基板21の共振モードに依存することから、図9(b)に示すシミュレーションの結果は、特に音圧の高い10kHz以下の低周波数領域において、音圧レベル、周波数特性のいずれも図9(a)に示す実測値とよく一致していた。したがって、このパラメータを用いてシミュレーションを行うことで、実装構造や評価部品自体の構造を変化させたときの音鳴きに対する影響が確認できる。
また、得られたパラメータを用いて、評価部品の可聴周波数領域(20Hz〜20kHz)における振動モードを、上述の1/8モデルを用いて計算した。10kHzにおける計算結果を図12に示す。なお、図12(a)は、1/8モデルの内部側(対称面側)からみたものであり、図12(b)は、図12(a)の反対側、すなわち1/8モデルの外部側(表面側)からみたものである。ここで、破線は交流電圧を印加していない状態の評価部品の形状を示し、実線は交流電圧により最大に変位した状態の評価部品の形状を示している。
この結果から、可聴周波数領域において評価部品は、積層面方向には拡がり振動を、積層方向(厚み方向)には伸縮振動をしていることがわかる。評価部品全体を模式的に表した図13に示すように、評価部品の積層方向に対向して位置する一対の主面(第1の主面4aおよび第2の主面4b)において、当該主面を構成する各辺の中央部に、振動振幅が小さい、すなわち、振動の節ともいえる領域(以下、節状部15という)が存在することがわかる。
本実施形態の積層型コンデンサ10は、評価部品と同等であるため、このような節状部15が評価部品と同様に本実施形態の積層型コンデンサ10の各辺の中央部にも存在する。したがって、積層型コンデンサ10を節状部15において、一対の外部電極3およびはんだを介して基板9に固定することで、基板9への積層型コンデンサ10の圧電振動の伝播が抑制され、音鳴きを低減できると考えられる。
本実施形態においては、図13(b)に示すように、積層型コンデンサ10は、上述のような節状部15が存在しており、この節状部15に第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bを設けたことから、積層型コンデンサ10を節状部15において基板9に固定することが可能となる。
したがって、第1の外部電極3aは、節状部15を含むように第1の主面4aまたは第2の主面4bから第1の端面4cにかけて形成されている。同様に、第2の外部電極3bは、節状部15を含むように第1の主面4aまたは第2の主面4bから第2の端面4dにかけて形成されている。
さらに、延在部3a2は、第1の端面4c側の端部(外端部)の長さW1aが、第1の主面4a(第2の主面4b)の長手方向(X方向)の中央側の端部(内端部)の長さW2aよりも大きくなる(W1a>W2a)ように形成されている。また、延在部3b2は、第1の端面4c側の端部(外端部)の長さW1bが、第1の主面4a(第2の主面4b)の長手方向(X方向)中央側の端部(内端部)の長さW2bよりも大きくなる(W1b>W2b)ように形成されている。
また、第1の外部電極3aは、節状部15の内側に位置するように第1の主面4aまたは第2の主面4bから第2の端面4cにかけて形成され、また、第2の外部電極3bは、節状部15の内側に位置するように第1の主面4aまたは第2の主面4bから第2の端面
4dにかけて形成されていてもよい。
このように、一対の外部電極3は、外部電極側面部3a1が第1の端面4cの中央部を含むとともに両端部を含まないように設けられ、外部電極側面部3b1が第2の端面4dの中央部を含むとともに両端部を含まないように設けられており、延在部3a2(延在部3b2)の長さを、外端部の長さ、すなわち、節状部15側の長さであるW1に対して、内端部すなわち振動振幅の大きい第1の主面4a(第2の主面4b)の中央部側の長さであるW2を小さくすることで、延在部3a2(延在部3b2)は振動振幅の大きい第1の主面4a(第2の主面4b)の中央部側に位置する領域が小さくなり、積層型コンデンサ10の振動が基板9に伝わりにくくなり、W1≦W2とした場合と比較して、より「音鳴き」の抑制効果が得られる。
本実施形態の積層型コンデンサ10および従来の積層型コンデンサ100を以下のようなモデルを用いて、音鳴きのシミュレーションをベースにして「音鳴き」の抑制効果について検討を行なった。積層体1(積層体101)は、外寸を評価部品と同様(1100×620×620μm)とした。
積層型コンデンサ10において、第1の外部電極3a(第2の外部電極3b)は、W1、W3をいずれも280(μm)(W3/L2=0.45)とし、第1の主面4a(第2の主面4b)における延在部3a2(延在部3b2)の形状は、外端部を底辺(下底)とし、高さを80(μm)(X方向の長さP1)とした台形状とし、W2=260(μm)とした。また、はんだフィレット層7の高さH2を400(μm)、基板9との距離Cを45(μm)とした。
また、積層型コンデンサ100は、同様に、はんだフィレット層70の高さH2を400(μm)、基板との距離Cを45(μm)とした。
積層型コンデンサ10および積層型コンデンサ100は、誘電体材料をチタン酸バリウム系材料、内部電極をNi、外部電極(下地電極)をCu、外部電極厚みを70μmとした。。なお、本検討では、従来の積層型コンデンサ100に対して、はんだフィレット層の高さを460(μm)から400(μm)に変更している。
5Hz〜20kHzの周波数領域にわたって平均すると、本実施形態の積層型コンデンサ10における音圧レベルの平均値は、従来の積層型コンデンサ100の実装構造に対して6dBA程度低減された。
また、積層型コンデンサ10は、W1、W2、W3をいずれも280μm、すなわち、第1の主面4aおよび第2の主面4b、第1の端面4cおよび第2の端面4dのいずれにおいても長方形状をなす第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bを有する積層型コンデンサと比較して、例えば、延在部3a2(延在部3b2)が台形状であり、振動振幅の大きい第1の主面4a(第2の主面4b)の中央部側に位置する延在部3a2(延在部3b2)領域が小さくなり、音圧レベルの平均値を低減する効果を有するものであった。
また、延在部3a2(延在部3b2)は、外端部の長さW1a(W1b)と内端部の長さW2a(W2b)とが、W1a(W1b):W2a(W2b)=1:0.2〜0.5の関係であることが、音鳴きの抑制および実装安定性という点からより好ましい。
延在部3a2(延在部3b2)の形状は、図13の結果から節状部15の形状を考慮すると、二等辺三角形状、等脚台形状、弓状であることが好ましく、特に弓状であることが好ましい。延在部3a2(延在部3b2)が三角形状などの角を有する形状の場合、角の
部分を起点として、延在部3a1(延在部3b2)が積層体1から剥離したり、基板9に実装した際に基板9と第1の外部電極3a(第2の外部電極3b)とを接合するはんだに亀裂が生じる懸念がある。延在部3a1(延在部3b2)は、R(曲率半径)を有する湾曲状(弓状)の角がない形状とすることにより、積層体1から剥離しにくくなり、はんだに亀裂が生じにくく、実装の信頼性を向上させることができる。また、三角形状や台形状などの多角形状の場合も、その角部(頂点)が丸みを帯びた形状とすることで、延在部3a1(延在部3b2)は、積層体1から剥離しにくくなり、はんだに亀裂が生じにくく、実装の信頼性を向上させることができる。
また、延在部3a2(延在部3b2)のX方向の長さP1は、L1に対する比率(P1/L1)にして0.25以下とすることが好ましい。本実施形態では0.07としたが、P1/L1を0.25以下とすることで、振動振幅の大きい第1の主面4a(第2の主面4b)の中央部の振動が基板9に伝わりにくくなり、音鳴きが抑制される。また、実装安定性を確保するという点から、P1/L1は0.15以上とすることが好ましい。また、延在部3a2のX方向の長さP1および延在部3b2のX方向の長さP1は、同じ長さであっても異なる長さであってもよい。
第1の端面4c(第2の端面4d)における外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の積層体1の短手方向(Y方向)の長さであるW3は、L2との比(W3/L2)にして0.2〜0.85とすることが好ましい。図12の結果から、節状部15を含む比較的振動振幅の小さい領域は、第1の主面4a(第2の主面4b)の短辺においてその中央(2等分線)を中心に短辺の長さの0.85程度の範囲に広がりを有しており、この範囲内に外部電極3を形成することで、評価部品の場合や短辺全体に外部電極3を形成した場合に対して音鳴き低減効果が得られる。上述では、W3/L2を0.45としたが、これを0.85としても評価部品の場合と比べて音鳴き低減効果が得られる。また、実装安定性という点からW3/L2は0.2以上とすることが好ましい。W3/L2は、振動を低減するとともに実装安定性を確保するという観点から、特に0.3〜0.7の範囲とすることが好ましい。
特に、P1/L1を0.08〜0.15の範囲とし、第1の主面4a(第2の主面4b)の振動を基板9へ伝わりにくくすることで、W3/L2を0.5〜0.85の範囲として実装安定性を確保した場合にも音鳴きの低減を図ることができ好ましい。
なお、本実施形態の実装構造体においては、積層型コンデンサ10は基板9の実装面に直接接触していない。特に、積層型コンデンサ10と基板9の実装面との間隔であるCのH0に対する比(C/H0)は、0.03以上であることが好ましい。なお、上述では、C/H0を0.07とした。
本実施の形態では、例えば、チタン酸バリウム系などの強誘電体材料を誘電体層に用い、Ni、Cu、Ag、Ag−Pdなどの金属材料を内部電極に用いた積層セラミックコンデンサ10の場合に、特に好適に用いられる。本実施形態は、特に、1005型以上の型式の積層型コンデンサ10において顕著な効果を発揮できる。
さらに、外部電極3として、例えば、多くの積層型コンデンサには外部電極として、Cuからなる下地電極にNiおよびSnめっきを施したものが用いられているが、下地電極を用いずめっき電極のみで構成された外部電極3を有するものにも好適に使用できる。下地電極を有する外部電極3を基板9の基板電極(9a、9b)にはんだ等を介して直接接合した場合、Cuからなる下地電極は比較的柔らかいため、下地電極が積層体1の圧電振動をある程度吸収して減衰させ、音鳴きが抑制される。一方、外部電極3がめっき電極のみで構成される場合、積層体1の圧電振動が外部電極3で減衰されず、音鳴きが顕著にな
る。したがって、めっき電極のみで構成された外部電極を有するものに本実施形態を適用すると、より大きな音鳴き抑制効果が得られる。
積層型コンデンサ10は、第1の外部電極3a(第2の外部電極3b)の第1の端面4c(第2の端面4d)における形状、すなわち、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の形状は、矩形状に限定されない。外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の積層体1の短手方向(Y方向)の長さW3は、第1の端面4c(第2の端面4d)において積層体1の積層方向(Z方向)の中央部に位置する電極の幅が両端部に位置する電極の幅よりも小さい、すなわち、外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)は、第1の端面4c(第2の端面4d)の積層方向(Z方向)の中央部に電極の幅が狭くなる領域を有していてもよい。
以下では、外部電極側面部3A1〜3A4(外部電極側面部3B1〜3B4)の形状について説明する。なお、図14に示す積層型コンデンサ10は、積層体1の短手方向(Y方向)に沿った外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の長さが積層方向(Z方向)の中央部と両端部側(第1の主面4aおよび第2の主面4b側)とで異なっており、中央部に電極幅の狭い領域を有している。また、このような場合には、第1の端面4c(第2の端面4d)における最大の長さを外部電極側面部3a1(外部電極側面部3b1)の積層体1の短手方向(Y方向)の長さW3とする。
外部電極側面部3A1〜3A4(外部電極側面部3B1〜3B4)は、積層体1の積層方向(Z方向)の中央部に電極幅の狭い領域を有することで、この電極幅の狭い領域ではんだの這い上がりが抑制され、振動振幅の大きい第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部にはんだフィレット層7が形成されにくくなり、積層型コンデンサ10の振動が基板9に伝わりにくくなる。また、積層体1の積層方向(Z方向)の両端部側(第1の主面4a側および第2の主面4b側)では、電極幅が中央部よりも大きくなっており、基板9の基板電極9a、9bとの接合強度を確保するとともに、「音鳴き」の抑制効果を向上させることができる。
外部電極側面部3A1(外部電極側面部3B1)は、図14(a)に示すように、矩形状の中央部が切り取られた形状であり、矩形状の両側部の中央部に凹部を有する形状である。すなわち第1の外部電極3a(第2の外部電極3b)は、外部電極側面部3A1(外部電極側面部3B1)の両側部の中央部に凹部を有する形状である。ここで、凹部とは、外部電極側面部3A1(外部電極側面部3B1)の上下端において、Y方向の両端に位置し、Z方向に互いに対向する頂点を結ぶ一対の線分を引いたとき、外部電極側面部3A1(外部電極側面部3B1)の輪郭が一対の線分の間に位置する部分とする。
外部電極側面部3A2(外部電極側面部3B2)は、図14(b)に示すように、矩形状の中央部が切り取られた形状であり、さらに、切り取られた領域の内側に位置す角部17の両方が丸みを有している。
外部電極側面部3A2(外部電極側面部3B2)は、図15(a)に示すように、切り取られた領域の内側に位置する角部17の両方が丸みを有しており、例えば、はんだ接合を行なうリフローの際に、Z方向の下方に位置する角部17に挟まれた領域の丸みを帯びた部分に溶融はんだ16が沿うように這い上がり溶融はんだ16が円形状になりやすくなり、表面張力効果が増加する。外部電極側面部3A2(外部電極側面部3B2)は、中央部に電極幅の狭い領域を有しており、溶融はんだ16の表面張力により中央部の電極幅の狭い領域において溶融はんだ16が濡れにくく、溶融はんだ16の這い上がりが抑制される。したがって、積層型コンデンサ10は、振動振幅の大きい第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部、または、中央部の上方にはんだフィレット層7が形成されにくくなり
、振動が基板9に伝わりにくくなる。
また、外部電極側面部3A3(外部電極側面部3B3)は、図14(c)に示すように、矩形状の中央部が切り取られた形状であり、さらに、切り取られた領域の内側に位置する角部17の両方が丸みを有するとともに、切り取られた領域の外側に位置する角部の両方が丸みを有している。外部電極側面部3A3(外部電極側面部3B3)は、外部電極側面部3A2(外部電極側面部3B2)と同様な効果が得られる。
また、外部電極側面部3A4(外部電極側面部3B4)は、図14(d)に示すように、電極幅が中央部から両端部(第1の主面4a側および第2の主面4b側)に向かって漸次大きくなっている。すなわち、外部電極側面部3A4(外部電極側面部3B4)は、両側部が内側に湾曲しており、第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部に電極幅の狭い領域を有しており、電極幅が中央部から上下方向に向かって漸次大きくなっている。
外部電極側面部3A4(外部電極側面部3B4)は、図15(b)に示すように、両側部に内側に凹んでいる湾曲部18(丸み)を有しており、例えば、はんだ接合を行なうリフローの際に、湾曲部18の下方の湾曲部18に挟まれた領域の湾曲部18に沿うように溶融はんだ16が這い上がり溶融はんだ16が円形状になりやすく、表面張力効果が増加する。外部電極側面部3A4(外部電極側面部3B4)は、第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部に電極幅の狭い領域を有しており、溶融はんだ16の表面張力により中央部の電極幅の狭い領域において溶融はんだ16が濡れにくく、溶融はんだ16の這い上がりが抑制される。したがって、積層型コンデンサ10は、振動振幅の大きい第1の端面4c(第2の端面4d)の中央部、または、中央部の上方にはんだフィレット層7が形成されにくくなり、振動が基板9に伝わりにくくなる。また、湾曲部18の形状は、溶融はんだの量等に応じて適宜に設定される。
本発明は、上述した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更および改良が可能である。例えば、本発明の範囲内において、一対の外部電極がそれぞれ異なる形状を有していてもよい。
1 積層体
1a 誘電体層
2 内部電極
2a 第1の内部電極
2aa 引出部
2b 第2の内部電極
2ba 引出部
3 外部電極
3a 第1の外部電極
3a1 外部電極側面部
3a2 延在部
3b 第2の外部電極
3b1 外部電極側面部
3b2 延在部
4a 第1の主面
4b 第2の主面
4c 第1の端面
4d 第2の端面
4e 第1の側面
4f 第2の側面
5 下地電極
6 金属層
6a 第1の金属層
6b 第2の金属層
7、70 はんだフィレット層
8 2等分線
9 基板
9a、9b 基板電極
10、100 積層型コンデンサ
15 節状部
16 溶融はんだ
17 角部
18 湾曲部

Claims (8)

  1. 誘電体層と内部電極とが交互に積層された略直方体状の積層体と、
    該積層体の外表面に設けられた、互いに異なる前記内部電極にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極とを備えており、
    前記積層体は、前記誘電体層と前記内部電極との積層方向に位置する一対の長方形状の主面と、該一対の主面間に位置するとともに前記主面の長辺側に隣接する一対の側面と、前記一対の主面間に位置するとともに前記主面の短辺側に隣接する一対の端面とを有し、
    前記一対の外部電極は、前記端面の中央部を含むように前記端面に設けられた外部電極側面部と該外部電極側面部から前記一対の主面上に延在する延在部とを有しており、
    該延在部の前記積層体の短手方向に沿った長さは、前記外部電極側面部側が前記主面の中央側よりも大きいことを特徴とする積層型コンデンサ。
  2. 前記延在部の形状は、前記主面の短辺側を弦とする弓状であることを特徴とする請求項1に記載の積層型コンデンサ。
  3. 前記延在部の形状は、前記主面の短辺側を底辺とする台形状であることを特徴とする請求項1に記載の積層型コンデンサ。
  4. 前記延在部の形状は、前記主面の短辺側を底辺とする三角形状であることを特徴とする請求項1に記載の積層型コンデンサ。
  5. 前記積層体の短手方向の長さをL2とし、前記外部電極側面部における前記積層体の短手方向に沿った長さをW3としたとき、該W3の前記L2に対する比率(W3/L2)が0.2〜0.85であ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型コンデンサ。
  6. 前記積層体の長手方向の長さをL1としたとき、該L1に対する前記延在部の前記積層体の長手方向に沿った長さP1の比率(P1/L1)が、0.15〜0.25であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の積層型コンデンサ。
  7. 前記外部電極側面部の前記積層体の短手方向に沿った長さは、前記積層方向の端部側が中央部側よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の積層型コンデンサ。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の積層型コンデンサと基板とが、前記一対の主面のいずれか一方と前記基板の実装面とが対向するように配置されるとともに、前記一対の外部電極を介して接合されていることを特徴とする実装構造体。
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