JP2024119036A - 積層型電子部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】積層型電子部品の信頼性を向上させ、誘電体層の緻密化を実現しながらも優れた信頼性を有する積層型電子部品を提供する。【解決手段】積層型電子部品において、誘電体層111は、Alを含む第1アクセプタ元素と、Mg、Mn及びVの少なくとも1つ以上を含む第2アクセプタ元素と、Tiと、を含み、誘電体層111に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA1、第2アクセプタ元素のモル数をT1と定義するとき、0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たし、誘電体層111及びカバー部112、113は、複数の誘電体結晶粒を含み、カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する上記誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)は、1.00≦G1/G2<1.50を満たす。【選択図】図3
Description
本発明は、積層型電子部品に関するものである。
積層型電子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プリント回路基板に装着されて電気を充電または放電させる役割を果たすチップ形態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、小型でありながらも高容量が保障され、実装が容易であるという利点により、様々な電子機器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電子機器が小型化、高出力化されながら、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が増大している。
一方、IT用MLCCだけでなく、自動車電装用MLCCの市場が拡大するにつれて、同一容量帯で定格電圧が高く、信頼性に優れた製品の需要が増加している。MLCC誘電体組成物の添加剤元素の中で原子価固定アクセプタ(fixed valence acceptor)、原子価可変アクセプタ(variable valence acceptor)である遷移金属元素、そして希土類元素(rare earth elements)が信頼性に及ぼす影響は既に広く知られており、一般的にこれらを含んだ誘電体添加元素の組成比の最適化により信頼性が良好な条件が選定されるようになる。BME(Base Metal Electrode)MLCCが産業化する間、信頼性を向上させるための組成最適化作業が持続的に進められてきた。しかしながら、同じ誘電体組成であっても、微細構造、添加剤元素の分布と固溶程度、そして工程条件によって信頼性に大きな差が発生する可能性があるため、最適な組成物設計が必要となる場合がある。
従来のMLCC組成計では、酸素空孔欠陥濃度が高く、製品稼動の過酷温度条件で信頼性劣化が頻繁に発生したが、最近、この高温信頼性の寿命に影響を及ぼす酸素空孔の濃度を最小化する組成設計により信頼性劣化抑制を実現しようとする研究が進められている。これは、BaTiO3にdonor dopantの役割を果たす元素を添加することにより酸素空孔が満たされながら電子が発生する原理であり、n-p junction化抑制による信頼性劣化抑制方向として、組成のn-type化として知られている。しかし、金属と酸化物の複合材料で構成されているMLCCの製品特性上、Acceptorの役割を果たすdopant元素の添加が必須に伴われることが求められる。また、このAcceptor dopantに分類される特定元素の場合、誘電体層の均一粒成長と緻密化に密接な関連があるため、これを適切な割合で調節して誘電体組成を構成する必要性がある。
本発明が解決しようとする様々な課題の一つは、最適な組成物設計により積層型電子部品の信頼性を向上させることである。
本発明が解決しようとする様々な課題の一つは、誘電体層の緻密化を実現しながらも優れた信頼性を有する積層型電子部品を提供することである。
但し、本発明が解決しようとする様々な課題は、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することができる。
本発明の一実施形態による積層型電子部品は、誘電体層及び内部電極を含む本体と、上記本体上に配置される外部電極と、を含み、上記本体は、上記誘電体層及び上記誘電体層と第1方向に交互に配置される上記内部電極を含む容量形成部と、上記容量形成部の第1方向の両端面にそれぞれ配置されるカバー部を含み、上記誘電体層は、Alを含む第1アクセプタ元素、Mg、Mn、及びVのうち1つ以上を含む第2アクセプタ元素、及びTiを含み、上記誘電体層に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA1、第2アクセプタ元素のモル数をT1と定義するとき、0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たし、上記誘電体層及びカバー部は複数の誘電体結晶粒を含み、上記カバー部に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する上記誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)は、1.00≦G1/G2<1.50を満たすことができる。
本発明の様々な効果の一つは、積層型電子部品の高温信頼性に優れることである。
但し、本発明の多様でありながらも有意義な利点及び効果は、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、より容易に理解することができる。
以下、具体的な実施形態及び添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、通常の技術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、図面上に同一符号で示される要素は同一要素である。
尚、図面において本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、図示した各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために任意で示したものであるため、本発明は必ずしも図示により限定されない。また、同一の思想の範囲内の機能が同一である構成要素は、同一の参照符号を用いて説明することができる。さらに、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」というのは、特に反対される記載がない限り、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ことを意味する。
図面において、第1方向は積層方向または厚さ(T)方向、第2方向は長さ(L)方向、第3方向は幅(W)方向と定義することができる。
積層型電子部品
図1は、本発明の一実施形態による積層型電子部品の斜視図を概略的に示したものであり、図2は、内部電極の積層構造を示した分離斜視図を概略的に示したものであり、図3は、図1のI-I'線に沿った断面図を概略的に示したものであり、図4は、図1のII-II'線に沿った断面図を概略的に示したものである。
図1は、本発明の一実施形態による積層型電子部品の斜視図を概略的に示したものであり、図2は、内部電極の積層構造を示した分離斜視図を概略的に示したものであり、図3は、図1のI-I'線に沿った断面図を概略的に示したものであり、図4は、図1のII-II'線に沿った断面図を概略的に示したものである。
以下、図1~図5を参照して、本発明の一実施形態による積層型電子部品について詳細に説明する。但し、積層型電子部品の一例として積層セラミックキャパシタについて説明するが、本発明は誘電体組成物を利用する様々な電子製品、例えば、インダクタ、圧電体素子、バリスタ、またはサーミスタなどにも適用されることができる。
本発明の一実施形態による積層型電子部品100は、複数の誘電体層111及び複数の内部電極121、122を含む本体110と、上記本体110上に配置される外部電極131、132と、を含み、上記本体110は、上記誘電体層111及び上記誘電体層111と第1方向に交互に配置される上記内部電極121、122を含む容量形成部Acと、上記容量形成部Acの第1方向の両端面の少なくとも一つに配置されるカバー部112、113を含み、上記誘電体層111は、Alを含む第1アクセプタ元素、Mg、Mn及びVのうち一つ以上を含む第2アクセプタ元素、及びTiを含み、上記誘電体層111に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA1、第2アクセプタ元素のモル数をT1と定義するとき、0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たし、上記誘電体層111及びカバー部112、113は複数の誘電体結晶粒を含み、上記カバー部に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する上記誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)は、1.00≦G1/G2<1.50を満たすことができる。
本体110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。
より具体的には、本体110は、本体110の内部に配置され、誘電体層111を挟んで互いに向かい合うように交互に配置される第1内部電極121及び第2内部電極122を含んで容量を形成する容量形成部Acを含むことができる。
本体110の具体的な形状に特に制限はないが、図示のように本体110は六面体状やこれと類似した形状からなることができる。焼成過程で本体110に含まれた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状ではないが、実質的に六面体状を有することができる。
本体110は、第1方向に互いに向かい合う第1面1及び第2面2、第1面1及び第2面2と連結され、第2方向に互いに向かい合う第3面3及び第4面4、第1面1から第4面4と連結され、第3方向に互いに向かい合う第5面5及び第6面6を有することができる。
本体110を形成する複数の誘電体層111は焼成された状態であり、隣接する誘電体層111間の境界は走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を利用せずには確認しにくいほど一体化することができる。
誘電体層111を形成する原料は、十分な静電容量が得られる限り、制限されない。一般的に、ペロブスカイト(ABO3)系材料を用いることができ、例えば、チタン酸バリウム系材料、鉛複合ペロブスカイト系材料またはチタン酸ストロンチウム系材料などを用いることができる。チタン酸バリウム系材料は、BaTiO3系セラミック粉末を含むことができ、セラミック粉末の例示として、BaTiO3、BaTiO3にCa(カルシウム)、Zr(ジルコニウム)などが一部固溶された(Ba1-xCax)TiO3(0<x<1)、Ba(Ti1-yCay)O3(0<y<1)、(Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3(0<x<1、0<y<1)またはBa(Ti1-yZry)O3(0<y<1)などが挙げられる。
また、誘電体層111を形成する原料は、チタン酸バリウム(BaTiO3)などの粉末に本発明の目的に応じて様々なセラミック添加剤、有機溶剤、結合剤、分散剤などが添加されることができる。
MLCC誘電体組成物の添加剤元素の中で原子価固定アクセプタ(fixed valence acceptor)、原子価可変アクセプタ(variable valence acceptor)である遷移金属元素、そして希土類元素(rare earth elements)が信頼性に及ぼす影響は既に広く知られており、一般的にこれらを含む誘電体添加元素組成比の最適化により信頼性が良好な条件が選定されるようになる。BME(Base Metal Electrode)MLCCが産業化する間、信頼性を向上させるための組成最適化作業が持続的に進められてきた。しかし、同じ誘電体組成であっても、微細構造、添加剤元素の分布と固溶程度、そして工程条件によって信頼性で大きな差が出ることがある。
より具体的には、現在のX5R、X7R、X8R、Y5Vなどの高容量BME MLCCの誘電体は、BaTiO3母材あるいはCa、Zrなどが一部固溶した(Ba、Ca)(Ti、Ca)O3、(Ba、Ca)(Ti、Zr)O3及びBa(Ti、Zr)O3などの母材に、Mg、Alなどの原子価固定アクセプタとY、Dy、Ho、Erなどのドナー(donor)役割を果たす希土類元素を一緒にドーピング(co-doping)し、Mn、V、Crなどの原子価可変アクセプタ、そして余分のBa、そしてSiO2あるいはこれを含む焼結助剤などの添加剤をさらに添加して焼結した材料に基づいている。還元雰囲気で焼成する場合に高容量MLCCの正常的な容量及び絶縁特性を実現するためには、粒成長抑制及び耐還元性が実現しなければならず、Mgのような原子価固定アクセプタを適正量添加することで、この2つの効果を実現することができると知られている。しかし、Mgのような原子価固定アクセプタのみを添加する場合には誘電体の耐電圧特性と信頼性が良くなく、Mn及びVのような原子価可変アクセプタである遷移金属元素と希土類元素を一緒に添加することで耐電圧及び信頼性向上効果を得ることができるようになる。上述のように、これらの元素はほとんど一緒にドーピング(co-doping)されており、BaTiO3母材結晶粒のシェル(shell)領域に固溶してコア-シェル(core-shell)構造を形成して、MLCCの温度に応じた安定した容量特性と信頼性を実現することができる。したがって、これらの添加剤元素が2次相に含まれたまま偏析(segregation)せずにシェル(shell)領域のBaTiO3結晶格子に固溶が良くなってこそ信頼性が良好であると予想できる。
従来のMLCC組成計では、酸素空孔欠陥濃度が高く、製品稼動の過酷温度条件で信頼性劣化が頻繁に発生したが、最近、この高温信頼性寿命に影響を及ぼす酸素空孔の濃度を最小化する組成設計により信頼性劣化抑制を実現しようとする研究が進められている。これは、BaTiO3でdonor dopantの役割を果たす元素を添加することにより酸素空孔が満たされながら電子が発生する原理であり、n-p junction化抑制による信頼性劣化抑制方向として、組成のn-type化として知られている。しかし、金属と酸化物の複合材料で構成されているMLCCの製品特性上、Acceptor役割を果たすdopant元素の添加が必須に伴われることが求められる。また、このAcceptor dopantに分類される特定元素の場合、誘電体層の均一粒成長と緻密化に密接した関連があり、これを適切な割合で調節して誘電体組成を構成する必要性がある。
本発明において、アクセプタ元素はAl、Mg、Mn及びVを含むことができ、Alを含むアクセプタ元素を第1アクセプタ元素、Mg、Mn及びVを含むアクセプタ元素を第2アクセプタ元素と定義することができる。但し、特にこれに制限されるものではなく、第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素は他のアクセプタ元素をさらに含むことができる。但し、第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素は、互いに異なる要素を含む。
本発明の一実施形態によると、容量形成部Acに含まれた誘電体層111は、Alを含む第1アクセプタ元素、Mg、Mn及びVのうち1つ以上を含む第2アクセプタ元素及びTiを含むことができ、容量形成部Acの誘電体層111に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA1、第2アクセプタ元素のモル数をT1と定義するとき、0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たすことができる。
誘電体組成物でAcceptor役割を果たす元素の割合を0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たすように調節することにより、donor-richな組成を設計することができ、これにより誘電体層の緻密化を実現しながらも優れた高温信頼性を有する積層型電子部品を提供することができる。
容量形成部Acの誘電体層111に含まれたA1のモル数が0.6モル以上であるか、A1/(A1+T1)の割合が0.55以上である場合、酸素空孔濃度上昇による、高温信頼性が劣化するおそれがあり、A1のモル数が0.4モル未満であるか、またはA1/(A1+T1)の割合が0.44未満の場合、n-type化による電気導電度は向上することができるが、誘電体組成物の粒成長を抑制して気孔率(porosity)が増加して緻密性及び耐湿信頼性が劣化するおそれがあり、誘電特性が低下する問題点が発生する可能性がある。
このとき、誘電体層111及び後述するカバー部112、113は、複数の誘電体結晶粒を含むことができ、カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)は、1.00≦G1/G2<1.50を満たすことができる。
カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)が1.00≦G1/G2<1.50を満たすことで、目標とする誘電容量特性を達成することができ、耐湿信頼性により優れることができる。
一方、誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)は、100nm以上400nm以下であることができ、好ましくは150nm以上300nm以下であることができる。
誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさを測定する方法は特に制限されない。
例えば、本体の第1方向及び第2方向の断面(cross-section)を基準として中央領域に位置する誘電体層が観察されることができるように、SEMによって5μm×3μm(横×縦)大きさのイメージを得た後、該当領域に存在する誘電体結晶粒の大きさを測定して求めることができる。
誘電体結晶粒の大きさは、一結晶粒界(grain boundary)から他の結晶粒界までの最も長い直線の大きさに該当することができ、誘電体結晶粒の平均大きさは、上述の方法で測定した各誘電体結晶粒の大きさを平均した値を意味することができる。
誘電体層111の厚さtdは特に限定する必要はない。
但し、積層型電子部品の高容量化を達成するために誘電体層111の厚さは3.0μm以下であることができ、積層型電子部品の小型化及び高容量化をより容易に達成するために誘電体層111の厚さは1.0μm以下であることができ、好ましくは0.6μm以下であることができ、より好ましくは0.4μm以下であることができる。
ここで、誘電体層111の厚さtdは、第1内部電極121及び第2内部電極122の間に配置される誘電体層111の厚さtdを意味することができる。
一方、誘電体層111の厚さtdは、誘電体層111の第1方向の大きさを意味することができる。また、誘電体層111の厚さtdは、誘電体層111の平均厚さtdを意味することができ、誘電体層111の第1方向の平均大きさを意味することができる。
誘電体層111の第1方向の平均大きさは、本体110の第1方向及び第2方向の断面(cross-section)を1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)を用いてイメージをスキャンして測定することができる。より具体的には、1つの誘電体層111の第1方向の平均大きさは、スキャンされたイメージにおいて1つの誘電体層111を第2方向に等間隔の30個の地点で第1方向の大きさを測定して計算した平均値を意味することができる。上記等間隔の30個の地点は容量形成部Acで指定されることができる。また、このような平均値測定を10個の誘電体層111に拡張して平均値を測定すると、誘電体層111の第1方向の平均大きさをさらに一般化することができる。
内部電極121、122は誘電体層111と交互に積層されることができる。
内部電極121、122は第1内部電極121及び第2内部電極122を含むことができ、第1内部電極121及び第2内部電極122は本体110を構成する誘電体層111を挟んで互いに向かい合うように交互に配置され、本体110の第3面3及び第4面4にそれぞれ露出することができる。
より具体的には、第1内部電極121は第4面4と離隔し、第3面3を介して露出することができ、第2内部電極122は第3面3と離隔し、第4面4を介して露出することができる。本体110の第3面3には第1外部電極131が配置されて第1内部電極121と連結され、本体110の第4面4には第2外部電極132が配置されて第2内部電極122と連結されることができる。
すなわち、第1内部電極121は第2外部電極132とは連結されず、第1外部電極131と連結され、第2内部電極122は第1外部電極131とは連結されずに第2外部電極132と連結されることができる。このとき、第1内部電極121及び第2内部電極122は、中間に配置された誘電体層111によって互いに電気的に分離されることができる。
一方、本体110は、第1内部電極121が印刷されたセラミックグリーンシートと第2内部電極122が印刷されたセラミックグリーンシートを交互に積層した後、焼成して形成されることができる。
内部電極121、122を形成する材料は特に制限されず、電気導電性に優れた材料を用いることができる。例えば、内部電極121、122は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、スズ(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金のうち1つ以上を含むことができる。
また、内部電極121、122は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、スズ(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金のうち1つ以上を含む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に印刷して形成することができる。上記内部電極用導電性ペーストの印刷方法としては、スクリーン印刷法またはグラビア印刷法などを用いることができ、本発明はこれに限定されるものではない。
一方、内部電極121、122の厚さteは特に限定する必要はない。
但し、積層型電子部品の高容量化を達成するために内部電極121、122の厚さは1.0μm以下であることができ、積層型電子部品の小型化及び高容量化をより容易に達成するために内部電極121、122の厚さは0.6μm以下であることができ、より好ましくは0.4μm以下であることができる。
ここで、内部電極121、122の厚さteは、内部電極121、122の第1方向の大きさを意味することができる。また、内部電極121、122の厚さteは、内部電極121、122の平均厚さteを意味することができ、内部電極121、122の第1方向の平均大きさを意味することができる。
内部電極121、122の第1方向の平均大きさは、本体110の第1方向及び第2方向の断面(cross-section)を1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)を用いてイメージをスキャンして測定することができる。より具体的には、1つの内部電極の第1方向の平均大きさは、スキャンされたイメージにおいて1つの内部電極を第2方向に等間隔の30個の地点で第1方向の大きさを測定して計算した平均値であることができる。上記等間隔の30個の地点は容量形成部Acで指定されることができる。また、このような平均値測定を10個の内部電極に拡張して平均値を測定すると、内部電極の第1方向の平均大きさをさらに一般化することができる。
一方、本発明の一実施形態において、複数の誘電体層111の少なくとも1つの平均厚さtdと複数の内部電極121、122の少なくとも1つの平均厚さteは、2×te<tdを満たすことができる。
換言すると、誘電体層111の1つの平均厚さtdは、内部電極121、122の1つの平均厚さteの2倍よりもさらに大きいことができる。好ましくは、複数の誘電体層111の平均厚さtdは、複数の内部電極121、122の平均厚さteの2倍よりもさらに大きいことができる。
一般的に、高電圧電場用電子部品は、高電圧環境下で絶縁破壊電圧(BDV:Breakdown Voltage)の低下による信頼性問題が主なイシューである。
そこで、高電圧環境下で絶縁破壊電圧の低下を防ぐために、誘電体層111の平均厚さtdを内部電極121、122の平均厚さteの2倍よりもさらに大きくすることにより、内部電極間の距離である誘電体層の厚さを増加させることができ、絶縁破壊電圧特性を向上させることができる。
誘電体層111の平均厚さtdが内部電極121、122の平均厚さteの2倍以下である場合には、内部電極間の距離である誘電体層の平均厚さが薄くなり、絶縁破壊電圧が低下することがあり、内部電極間の短絡が発生する可能性がある。
高電圧電子部品において、内部電極の平均厚さteは1μm以下であることができ、誘電体層の平均厚さtdは3.0μm以下であることができるが、必ずしもこれに制限されるものではない。
一方、本体110は、容量形成部Acの第1方向の両端面(end-surface)上に配置されるカバー部112、113を含むことができる。
より具体的には、容量形成部Acの第1方向の上部に配置される上部カバー部112及び容量形成部Acの第1方向の下部に配置される下部カバー部113を含むことができる。
上部カバー部112及び下部カバー部113は、単一誘電体層または2つ以上の誘電体層を容量形成部Acの上下面にそれぞれ第1方向に積層して形成することができ、基本的に物理的または化学的ストレスによる内部電極121、122の損傷を防止する役割を果たすことができる。
上部カバー部112及び下部カバー部113は、内部電極121、122を含まず、容量形成部Acの誘電体層111と同じ材料を含むことができる。すなわち、上部カバー部112及び下部カバー部113はセラミック材料を含むことができ、例えばチタン酸バリウム(BaTiO3)系セラミック材料を含むことができる。
また、カバー部112、113の誘電体層を形成する原料は、チタン酸バリウム(BaTiO3)などの粉末に本発明の目的に応じて様々なセラミック添加剤、有機溶剤、結合剤、分散剤などが添加されることができる。
本発明の一実施形態によると、カバー部112、113に含まれた誘電体層111は、Alを含む第1アクセプタ元素、Mg、Mn及びVのうち1つ以上を含む第2アクセプタ元素及びTiを含むことができ、カバー部112、113の誘電体層111に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA2と定義するとき、A2 ≦0.50モルを満たすことができ、第2アクセプタ元素のモル数をT2と定義するとき、A2/(A2+T2)<0.30を満たすことができる。
本発明において、カバー部112、113の誘電体層に含まれるアクセプタ元素は、容量形成部Acの誘電体層111に含まれるアクセプタ元素、より具体的には誘電体層111の第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素と同じ第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素を含むことができる。
なお、カバー部112、113に対する説明は、特に断りのない限り、第1カバー部112及び第2カバー部113のそれぞれに対する説明を意味することができ、また第1カバー部112及び第2カバー部113の全てを含んで説明することを意味することができる。
カバー部112、113に含まれたA2のモル数が0.50モル超過であるか、A2/(A2+T2)の割合が0.30以上の場合、誘電体組成物の粒成長を抑制して気孔率(porosity)が増加して、緻密性及び耐湿信頼性が劣化するおそれがあり、これを克服するために焼結温度を上げると、機械的特性が低下してクラック(crack)などが発生する問題点が発生する可能性がある。
一方、カバー部112、113は複数の誘電体結晶粒を含むことができ、カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)は150nm以上250nm以下であることができ、好ましくは、180nm以上220nm以下であることができる。
カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさを測定する方法は特に制限されず、上述した容量形成部Acの誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさを測定する方法と同一であることができる。
本発明の一実施形態において、カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev2)に対する容量形成部Acの誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev1)に関する割合(stdev1/stdev2)は、1.45≦stdev1/stdev2<2.10を満たすことができる。
カバー部112、113に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev2)に対する容量形成部Acの誘電体層111に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev1)に関する割合(stdev1/stdev2)は、1.45≦stdev1/stdev2<2.10を満たすことで、均一な大きさの誘電体結晶粒を形成することができ、これにより積層型電子部品の信頼性を向上させることができる。
本発明の一実施形態において、複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G)に対する複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev)に関する割合(stdev/G)を変動係数(CV)と定義するとき、カバー部112、113の変動係数(CV2)値に対する容量形成部Acに含まれた誘電体層111の変動係数(CV1)値に関する割合(CV1/CV2)は、1.40≦CV1/CV2<1.51を満たすことができる。
カバー部112、113の変動係数(CV2)値に対する容量形成部Acに含まれた誘電体層111の変動係数(CV1)値に関する割合(CV1/CV2)は、1.40≦CV1/CV2<1.51を満たすことで、均一な大きさの誘電体結晶粒を形成することができ、これにより積層型電子部品の信頼性を向上させることができる。
一方、カバー部112、113の厚さtcは特に限定する必要はない。
但し、積層型電子部品の小型化及び高容量化をより容易に達成するために、カバー部112、113の厚さtcは100μm以下であることができ、好ましくは30μm以下であることができ、超小型製品ではより好ましく20μm以下であることができる。
ここで、カバー部112、113の厚さtcは、カバー部112、113の第1方向の大きさを意味することができる。なお、カバー部112、113の厚さtcは、カバー部112、113の平均厚さtcを意味することができ、カバー部112、113の第1方向の平均大きさを意味することができる。
カバー部112、113の第1方向の平均大きさは、本体110の第1方向及び第2方向の断面(cross-section)を1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)を用いてイメージをスキャンして測定することができる。より具体的には、1つのカバー部をスキャンしたイメージにおいて第2方向に等間隔の30個の地点で第1方向の大きさを測定して計算した平均値を意味することができる。
なお、上述した方法で測定したカバー部の第1方向の平均大きさは、本体110の第1方向及び第3方向の断面(cross-section)において、カバー部の第1方向の平均大きさと実質的に同じ大きさを有することができる。
一方、積層型電子部品100は、本体110の第3方向の両端面(end-surface)上に配置されるサイドマージン部114、115を含むことができる。
より具体的には、サイドマージン部114、115は、本体110の第5面5に配置された第1サイドマージン部114及び本体110の第6面6に配置された第2サイドマージン部115を含むことができる。
サイドマージン部114、115は、図示のように、本体110の第1方向及び第3方向の断面(cross-section)を基準として、第1内部電極121及び第2内部電極122の第3方向の両端面(end-surface)と本体110の境界面との間の領域を意味することができる。
サイドマージン部114、115は、容量形成部Acに適用されるセラミックグリーンシート上にサイドマージン部114、115が形成されるところを除いて導電性ペーストを塗布して内部電極121、122を形成し、内部電極121、122による段差を抑制するために、積層後の内部電極121、122が本体110の第5面5及び第6面6に露出するように切断した後、単一誘電体層または2つ以上の誘電体層を容量形成部Acの第3方向の両端面(end-surface)上に第3方向に積層して形成することもできる。
サイドマージン部114、115は、基本的に物理的または化学的ストレスによる内部電極121、122の損傷を防止する役割を果たすことができる。
第1サイドマージン部114及び第2サイドマージン部115は、内部電極121、122を含まず、誘電体層111と同じ材料を含むことができる。すなわち、第1サイドマージン部114及び第2サイドマージン部115はセラミック材料を含むことができ、例えばチタン酸バリウム(BaTiO3)系セラミック材料を含むことができる。
また、サイドマージン部114、115の誘電体層を形成する原料は、チタン酸バリウム(BaTiO3)などの粉末に本発明の目的に応じて様々なセラミック添加剤、有機溶剤、結合剤、分散剤などが添加されることができる。
一方、第1サイドマージン部114及び第2サイドマージン部115の幅wmは特に限定する必要はない。
但し、積層型電子部品100の小型化及び高容量化をより容易に達成するためにサイドマージン部114、115の幅wmは100μm以下であることができ、好ましくは30μm以下であることができ、超小型製品ではより好ましくは20μm以下であることができる。
ここで、サイドマージン部114、115の幅wmは、サイドマージン部114、115の第3方向の大きさを意味することができる。また、サイドマージン部114、115の幅wmは、サイドマージン部114、115の平均幅wmを意味することができ、サイドマージン部114、115の第3方向の平均大きさを意味することができる。
サイドマージン部114、115の第3方向の平均大きさは、本体110の第1方向及び第3方向の断面(cross-section)を1万倍率の走査電子顕微鏡(SEM)を用いてイメージをスキャンして測定することができる。より具体的には、1つのサイドマージン部をスキャンしたイメージにおいて、第1方向に等間隔の10個の地点で第3方向の大きさを測定して計算した平均値を意味することができる。
本発明の一実施形態では、積層型電子部品100が2つの外部電極131、132を有する構造を説明しているが、外部電極131、132の個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されることができる。
外部電極131、132は本体110上に配置され、内部電極121、122と連結されることができる。
より具体的には、外部電極131、132は、本体110の第3面3及び第4面4にそれぞれ配置され、第1内部電極121及び第2内部電極122とそれぞれ連結される第1外部電極131及び第2外部電極132を含むことができる。すなわち、第1外部電極131は本体の第3面3に配置されて第1内部電極121と連結されることができ、第2外部電極132は本体の第4面4に配置されて第2内部電極122と連結されることができる。
一方、外部電極131、132は、金属などのように電気導電性を有するものであれば、どのような物質を用いても形成されることができ、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、外部電極131、132は、本体110に配置される電極層131a、132a、131b、132b及び電極層131a、132a、131b、132b上に配置されるめっき層131c、132cを含むことができる。
電極層131a、132a、131b、132bに対するより具体的な例を挙げると、電極層131a、132a、131b、132bは、第1導電性金属及びガラスを含む焼成電極であるか、第2導電性金属及び樹脂を含む樹脂系電極であることができる。
ここで、第1導電性金属は第1電極層131a、132aに含まれた導電性金属を意味することができ、第2導電性金属は第2電極層131b、132bに含まれた導電性金属を意味することができる。このとき、第1導電性金属及び第2導電性金属は同一または異なることができ、同じ金属物質を含むことができるが、特にこれに制限されるものではない。
また、電極層131a、132a、131b、132bは、本体上に焼成電極及び樹脂系電極が順次形成された形態であることができる。
また、電極層131a、132a、131b、132bは、本体上に導電性金属を含むシートを転写する方式で形成されるか、焼成電極上に導電性金属を含むシートを転写する方式で形成されたものであることができる。
電極層131a、132a、131b、132bに含まれる導電性金属として電気導電性に優れた材料を用いることができ、例えば、導電性金属はニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、スズ(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金からなる群から選択された一つ以上を含むことができるが、特にこれに限定されない。
本発明の一実施形態において、電極層131a、132a、131b、132bは、第1電極層131a、132a及び第2電極層131b、132bを含む2層の構造を有することができ、これにより、外部電極131、132は、導電性金属及びガラスを含む第1電極層131a、132a及び上記第1電極層131a、132a上に配置され、導電性金属及び樹脂を含む第2電極層131b、132bを含むことができる。
第1電極層131a、132aは、ガラスを含むことにより本体110との接合性を向上させる役割を果たし、第2電極層131b、132bは樹脂を含むことにより反り強度を向上させる役割を果たすことができる。
第1電極層131a、132aに用いられる導電性金属は、静電容量形成のために上記内部電極121、122と電気的に連結されることができる材質であれば特に制限されず、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、スズ(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)及びこれらの合金からなる群から選択された1つ以上を含むことができる。第1電極層131a、132aは、上記導電性金属粉末にガラスフリットを添加して設けられた導電性ペーストを塗布した後、焼成することにより形成されることができる。
第2電極層131b、132bに含まれる導電性金属は、第1電極層131a、132aと電気的に連結されるようにする役割を果たすことができる。
第2電極層131b、132bに含まれる導電性金属は、第1電極層131a、132aと電気的に連結されることができる材質であれば特に制限されず、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、スズ(Sn)、タングステン(W)、チタン(Ti)、及びこれらの合金からなる群から選択された1つ以上を含むことができる。
第2電極層131b、132bに含まれる導電性金属は、球状粒子及びフレーク状粒子のうち1つ以上を含むことができる。すなわち、導電性金属はフレーク状粒子のみからなるか、球状粒子のみからなることができ、フレーク状粒子と球状粒子が混合された形態であることもできる。ここで、球状粒子は、完全な球状ではない形態も含むことができ、例えば、長軸と短軸の長さ割合(長軸/短軸)が1.45以下の形態を含むことができる。フレーク状粒子は、平らでありながら細長い形態を有する粒子を意味し、特に制限されるものではないが、例えば長軸と短軸の長さ割合(長軸/短軸)が1.95以上であることができる。上記球状粒子及びフレーク状粒子の長軸と短軸の長さは、積層型電子部品の第3方向の中央部で切断した第1方向及び第2方向の断面(cross-section)を走査電子顕微鏡(SEM)を用いてスキャンして得られたイメージから測定することができる。
第2電極層131b、132bに含まれる樹脂は、接合性確保及び衝撃吸収の役割を果たすことができる。第2電極層131b、132bに含まれる樹脂は、接合性及び衝撃吸収性を有し、導電性金属粉末と混合してペーストを作ることができるものであれば、特に制限されず、例えばエポキシ系樹脂を含むことができる。
また、第2電極層131b、132bは、複数の金属粒子、金属間化合物及び樹脂を含むことができる。上記金属間化合物を含むことにより、第1電極層131a、132aとの電気的連結性をより向上させることができる。上記金属間化合物は、複数の金属粒子を連結して電気的連結性を向上させる役割を果たし、複数の金属粒子を囲んで互いに連結する役割を果たすことができる。
このとき、上記金属間化合物は、樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属を含むことができる。すなわち、上記金属間化合物が樹脂の硬化温度よりも低い融点を有する金属を含むため、樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属が乾燥及び硬化工程を経る過程で溶融し、金属粒子の一部と金属間化合物を形成して金属粒子を囲むようになる。このとき、金属間化合物は、好ましくは300℃以下の低融点金属を含むことができる。
例えば、213~220℃の融点を有するSnを含むことができる。乾燥及び硬化工程を経る過程でSnが溶融し、溶融したSnがAg、NiまたはCuなどの高融点の金属粒子を毛細管現象によって濡らせるようになり、Ag、NiまたはCu金属粒子の一部と反応してAg3Sn、Ni3Sn4、Cu6Sn5、Cu3Snなどの金属間化合物を形成するようになる。反応に関与しなかったAg、NiまたはCuは金属粒子の形態で残るようになる。
したがって、上記複数の金属粒子は、Ag、Ni及びCuのうち1つ以上を含み、上記金属間化合物は、Ag3Sn、Ni3Sn4、Cu6Sn5及びCu3Snのうち1つ以上を含むことができる。
めっき層131c、132cは、実装特性を向上させる役割を果たすことができる。
めっき層131c、132cの種類は特に限定されず、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)及びこれらの合金のうち1つ以上を含む単一層のめっき層131c、132cであることができ、複数層で形成されることができる。
めっき層131c、132cに対するより具体的な例を挙げると、めっき層131c、132cはNiめっき層またはSnめっき層であることができ、電極層131a、132a、131b、132b上にNiめっき層及びSnめっき層が順次形成された形態であることができ、Snめっき層、Niめっき層及びSnめっき層が順次形成された形態であることができる。また、めっき層131c、132cは、複数のNiめっき層及び/または複数のSnめっき層を含むこともできる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲によって限定しようとする。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者によって多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これもまた本発明の範囲に属するといえる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、これは本発明の具体的な理解を助けるためのものであり、本発明の範囲が実施例によって限定されるものではない。
(実施例)
下記の表1は、容量形成部の誘電体層に含まれた第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素の添加モル数を異ならせて添加したとき、カバー部に対する容量形成部の誘電体結晶粒の平均大きさの割合、誘電体結晶粒の大きさ標準偏差の割合及び変動係数の割合を示した値である。
下記の表1は、容量形成部の誘電体層に含まれた第1アクセプタ元素及び第2アクセプタ元素の添加モル数を異ならせて添加したとき、カバー部に対する容量形成部の誘電体結晶粒の平均大きさの割合、誘電体結晶粒の大きさ標準偏差の割合及び変動係数の割合を示した値である。
A1は、容量形成部の誘電体層に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数に該当し、第1アクセプタ元素はAl元素に該当する。
T1は、容量形成部の誘電体層に含まれたTi 100モルに対する第2アクセプタ元素のモル数に該当し、第2アクセプタ元素はMg、Mn、及びVのうち1つ以上の元素に該当する。
G1は容量形成部の誘電体層に含まれた誘電体結晶粒の平均大きさを測定した値であり、G2はカバー部に含まれた誘電体結晶粒の平均大きさを測定した値である。
カバー部に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数(A2)は0.50モル以下であり、カバー部に含まれたTi 100モルに対する第2アクセプタ元素のモル数(T2)との関係はA2/(A2+T2)≦0.30を満たした。
図5~図7は、試験例の容量形成部の誘電体層、カバー部、及び過酷信頼性の評価を行ったグラフである。
より具体的には、図5の(a)~図5の(d)は、それぞれ試験例1~試験例4の容量形成部をSEMを介して撮影したイメージであり、誘電体結晶粒を抽出してプログラムを介して確認が容易になるように表示したものである。
図6の(a)~図6の(d)は、それぞれ試験例1~試験例4のカバー部をSEMを介して撮影したイメージであり、誘電体結晶粒を抽出してプログラムを介して確認が容易になるように表示したものである。
図7の(a)~図7の(c)は、それぞれ試験例1~試験例3の過酷信頼性の評価(HALT、Highly Accelerated Life Test)を行ったグラフである。
各試験例当たり40個のサンプルチップを製作し、試験例毎に40個のサンプルチップを温度条件105℃、電圧条件15Vで60時間印加して初期絶縁抵抗(IR0)値109Ωを基準に絶縁抵抗(IR)値が104Ω以下に落ちたサンプルチップを不良と評価してカウントし、104Ω以下に落ちなかったサンプルチップを正常と評価した。
試験例1の場合、40個のサンプルチップのうち30個のサンプルチップが不良と評価され、試験例2の場合、40個のサンプルチップのうち11個のサンプルチップが不良と評価され、試験例3の場合、40個のサンプルチップのうち7個のサンプルチップが不良であると評価された。
試験例1から試験例4に進むほど、容量形成部の誘電体層に含まれた第1アクセプタ元素の含有量が少なくなり、誘電体結晶粒の大きさも少なくなることが確認でき、少ない含有量の第1アクセプタ元素によってもn-type化が進行して絶縁抵抗が改善され、結果的に過酷信頼性の評価時に、サンプルチップの故障頻度数が減少する傾向が現れることを確認することができる。
なお、本開示において用いられた「一実施形態」という表現は、互いに同一の実施形態を意味するものではなく、それぞれ互いに異なる固有の特徴を強調して説明するために提供されたものである。しかしながら、上記提示された一実施形態は、他の一実施形態の特徴と組み合わせて実現されることを排除しない。例えば、特定の一実施形態において説明された事項が他の一実施形態に説明されていなくても、他の一実施形態においてその事項と反対または矛盾する説明がない限り、他の一実施形態に関連する説明として理解することができる。
本開示で用いられた用語は、単に一実施形態を説明するために用いられたものであり、本開示を限定しようとする意図ではない。このとき、単数の表現は、文脈上明らかに異なるものを意味しない限り、複数の表現を含む。
100 積層型電子部品
110 本体
111 誘電体層
112、113 カバー部
114、115 サイドマージン部
121、122 内部電極
131、132 外部電極
110 本体
111 誘電体層
112、113 カバー部
114、115 サイドマージン部
121、122 内部電極
131、132 外部電極
Claims (13)
- 複数の誘電体層及び複数の内部電極を含む本体と、
前記本体上に配置される外部電極と、を含み、
前記本体は、前記複数の誘電体層、及び前記複数の誘電体層と第1方向に交互に配置される前記複数の内部電極を含む容量形成部と、前記容量形成部の前記第1方向の両端面に配置されるカバー部を含み、
前記複数の誘電体層は、Alを含む第1アクセプタ元素、Mg、Mn及びVのうち1つ以上を含む第2アクセプタ元素、及びTiを含み、
前記複数の誘電体層に含まれたTi 100モルに対する前記第1アクセプタ元素のモル数をA1、前記第2アクセプタ元素のモル数をT1と定義するとき、0.4モル≦A1<0.6モル及び0.44≦A1/(A1+T1)<0.55を満たし、
前記複数の誘電体層及びカバー部は、複数の誘電体結晶粒を含み、前記カバー部に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)に対する前記複数の誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)に関する割合(G1/G2)は、1.00≦G1/G2<1.50を満たす、積層型電子部品。 - 前記カバー部は、前記第1アクセプタ元素及びTiを含み、
前記カバー部に含まれたTi 100モルに対する第1アクセプタ元素のモル数をA2と定義するとき、A2≦0.50モルを満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。 - 前記カバー部は前記第2アクセプタ元素を含み、
前記カバー部に含まれたTi 100モルに対する第2アクセプタ元素のモル数をT2と定義するとき、A2/(A2+T2)<0.30を満たす、請求項2に記載の積層型電子部品。 - 前記複数の誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G1)は、100nm以上400nm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 前記カバー部に含まれた複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G2)は、150nm以上300nm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 前記カバー部に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev2)に対する前記複数の誘電体層に含まれた複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev1)に関する割合(stdev1/stdev2)は、1.45≦stdev1/stdev2<2.10を満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 複数の誘電体結晶粒の平均大きさ(G)に対する複数の誘電体結晶粒の大きさ標準偏差(stdev)に関する割合(stdev/G)を変動係数(CV)と定義するとき、
前記カバー部の変動係数(CV2)値に対する前記複数の誘電体層の変動係数(CV1)値に関する割合(CV1/CV2)は、1.40≦CV1/CV2<1.51を満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。 - 前記複数の誘電体層の少なくとも1つの平均厚さは3.0μm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 前記複数の内部電極の少なくとも1つの平均厚さは1.0μm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 前記複数の誘電体層の少なくとも一つの平均厚さをtdと定義し、前記複数の内部電極の少なくとも一つの平均厚さをteと定義するとき、
2×te<tdを満たす、請求項1に記載の積層型電子部品。 - 前記カバー部の前記第1方向の平均大きさは20μm以下である、請求項1に記載の積層型電子部品。
- 前記外部電極は、前記本体の前記第1方向に垂直な第2方向に配置され、
前記容量形成部の前記第1方向及び前記第2方向に垂直な第3方向の両端面に配置されるサイドマージン部をさらに含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の積層型電子部品。 - 前記サイドマージン部の前記第3方向の平均大きさは20μm以下である、請求項12に記載の積層型電子部品。
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