JP2004149405A

JP2004149405A - 酸化物磁器組成物、セラミック多層基板およびセラミック電子部品

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Publication number: JP2004149405A
Application number: JP2003324791A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Kawada; 裕三川田; Nobuyuki Sakai; 延行酒井; Hiroshi Fukuda; 福田　　寛; Takayuki Chikusawa; 孝之築澤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP4419487B2

Abstract

【課題】ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系磁器組成物を用いた多層基板および電子部品の抗折強度の向上を図り、小型化、薄層化の進む多層基板および電子部品の信頼性を高めることができる酸化物磁器組成物を提供する。
【解決手段】酸化物磁器組成物は、金属元素としてＡｌ、Ｓｉ、Ｂａ、ＢおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種を含有し、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して１１．５〜６０．０重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して４．０〜７０．０重量％、ＢａをＢａＯに換算して４．０〜４０．０重量％、ＢをＢ₂Ｏ₃に換算して１．０〜３０．０重量％、およびＣｒをＣｒ₂Ｏ₃に換算して０．３〜３．０重量％含有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミック多層基板やセラミック電子部品などに用いられる、絶縁性の酸化物磁器組成物に関する。

従来、セラミック多層基板やセラミック電子部品に用いられる絶縁体材料として、ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の酸化物磁器組成物が知られている。そして、特許文献１には、低温焼成が可能で焼成温度範囲が広く、しかも絶縁抵抗が高く、比誘電率が小さい酸化物磁器組成物として、Ｓｉ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂ、ＣｒおよびＣａの各酸化物を含む磁器組成物が開示されている。
特開平４−１６５５１号公報

しかしながら、セラミック多層基板やセラミック電子部品が組み込まれる電気回路装置の小型化が進む中で、セラミック多層基板やセラミック電子部品に対して小型化、薄層化が要求され、これに耐え得る酸化物磁器組成物の抗折強度が要求されている。

一般にセラミックの抗折強度はその組成に大きく依存するが、上記特許文献１に開示された磁器組成物は、基板としたときの抗折強度が２００ＭＰａ未満であるため、電気回路装置への実装の際に割れが発生する場合があるなど、市場の要求を十分満足し得るものではなかった。

そこで、本発明の目的は、ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系磁器組成物を用いた多層基板や電子部品の抗折強度の向上を図り、小型化、薄層化の進む多層基板や電子部品の信頼性を高めることができる酸化物磁器組成物、それを用いたセラミック多層基板およびセラミック電子部品を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の酸化物磁器組成物は、金属元素としてＡｌ、Ｓｉ、Ｂａ、ＢおよびＣｒを含有する酸化物磁器組成物であって、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して１１．５〜６０．０重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して４．０〜７０．０重量％、ＢａをＢａＯに換算して４．０〜４０．０重量％、ＢをＢ₂Ｏ₃に換算して１．０〜３０．０重量％、およびＣｒをＣｒ₂Ｏ₃に換算して０．３〜３．０重量％含有することを特徴とする。

また、上述の酸化物磁器組成物を主成分とし、該主成分１００重量部に対して、副成分としてＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＳｒＯから選ばれる少なくとも１種を合計量で３重量部以下含有することを特徴とする。

さらに、本発明のセラミック多層基板は、セラミック積層体と、該セラミック積層体のセラミック層間に形成された内部導体とを備える、セラミック多層基板であって、前記セラミック層が、上述の酸化物磁器組成物からなることを特徴とする。

また、本発明のセラミック電子部品は、セラミック体と、該セラミック体の内部に形成された内部導体と、該セラミック体の表面に形成された外部電極とを備える、セラミック電子部品であって、前記セラミック体が、上述の酸化物磁器組成物からなることを特徴とする。

さらに、本発明のセラミック電子部品は、前記内部導体および前記外部電極が、銅を主成分とすることを特徴とする。

本発明によれば、ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の酸化物磁器組成物を用いた多層回路基板および電子部品の抗折強度を向上させることができる。

また、１０００以上のＱ値と良好なはんだ付け性が得られ、小型化、薄層化の進む多層回路基板および電子部品の信頼性を高めることができる。さらに、焼成可能温度範囲の幅が広くなることによって、焼成炉内の温度変動やばらつきによる不良が発生しにくくなり、量産性が向上する。

まず、出発原料として、いずれも粒径２．０μｍ以下のＳｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃およびＣｒ₂Ｏ₃を準備した。

次に、表１に示す組成比率の酸化物磁器組成物が得られるように調合、混合し、８００〜１０００℃で仮焼した。得られた仮焼物をジルコニアボールミルで１２時間粉砕し、原料粉末を得た。

この原料粉末に、有機バインダとしてのポリビニルブチラール、可塑剤としてのＤＯＰ、およびトルエンを主成分とする溶剤を添加し、ボールミルで混合し、減圧下で脱泡処理を行なってスラリーを調整した。なお、スラリー中の粉末の平均粒径が１．５μｍ以下となるように、原料粉末の粉砕時間などを調整することが好ましい。スラリー中の粉末の平均粒径を１．５μｍ以下とすることで、焼成温度を低下させることが可能である。

得られたスラリーをドクターブレード法により、フィルム上に厚さ１ｍｍのグリーンシートとして成形した後、フィルムを剥離し、所定の形状にカットした。そして、窒素−水素の非酸化性雰囲気中、９５０〜１０４０℃で焼成し、板状の磁器試料を得た。

その後、磁器試料の表裏面に、電極として銅粉末と有機質ビヒクルとを重量比８０：２０の割合で混合したペーストを印刷した。その後、９５０〜１０４０℃で窒素−水素の非酸化性雰囲気中で焼成し、銅電極が付与された試料を得た。

次に、得られた試料について、３点曲げ強度試験（ＪＩＳＲ１６０１）によって抗折強度を測定した。

また、電気特性として、周波数１ＭＨｚにおける静電容量およびＱ、ならびにＤＣ１００Ｖでの絶縁抵抗を測定し、静電容量よりεr（比誘電率）を算出した。

さらに、試料のはんだ付け性を調べるため、試料をあらかじめ２０秒間予熱し、銅電極の表面に塩素系フラックスを付けた後、２３０℃のはんだ槽（Ｓｎ／Ｐｂ＝６／４重量比）に５秒間浸漬し、はんだ付けを行なった。そして、目視で銅電極の表面を観察し、銅電極表面の９０％以上がはんだで覆われているものをはんだ付け性が良とし、９０％に満たないものをはんだ付け性が不良であるとした。

これらの結果を表１に示す。なお、表１中のはんだ付け性の欄に〇印を付したものははんだ付け性が良のものであり、×印を付したものははんだ付け性が不良のものである。また、表１中、試料番号に＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。

表１から明らかなように、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して１１．５〜６０．０重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して４．０〜７０．０重量％、ＢａをＢａＯに換算して４．０〜４０．０重量％、ＢをＢ₂Ｏ₃に換算して１．０〜３０．０重量％、およびＣｒをＣｒ₂Ｏ₃に換算して０．３〜３．０重量％含有する、本発明の範囲内の酸化物磁器組成物は、２００ＭＰａ以上の優れた抗折強度を示す。また、Ｑは１０００以上を示し、はんだ付け性に優れる。

これに対して、試料１、２に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃量が１１．５重量％未満か、試料３０に示すように６０．０重量％を超える場合は、抗折強度が２００ＭＰａ未満と低い。

Ａｌ₂Ｏ₃の含有量によって抗折強度が変化するのは、Ａｌ化合物の析出によるものであるが、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１１．５重量％未満であると、Ａｌ化合物が十分析出しないため、抗折強度は２００ＭＰａ未満と低い。また、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が６０．０重量％を超えると焼結性が悪化して磁器焼結体が十分に緻密化しないため、抗折強度は２００ＭＰａ未満に低下する。

また、試料２８、６に示すように、ＳｉＯ₂が４．０重量％未満か、７０．０重量％を超えると、焼結性が悪化して焼結体が十分に緻密化しにくくなり、Ｑが１０００未満となる。

また、試料２２、１０に示すように、ＢａＯが４．０重量％未満か、４０．０重量％を超えると、焼結性が悪化して焼結体が十分に緻密化しにくくなり、Ｑが１０００未満となる。

また、試料４に示すように、Ｂ₂Ｏ₃が１．０重量％未満では、焼結性が悪化して磁器焼結体が十分に緻密化しにくくなり、Ｑが１０００未満となる。一方、試料２７に示すように、Ｂ₂Ｏ₃が３０．０重量％を超えると、非晶質相が増加し、Ｑが１０００未満となる。

また、試料１５、１３に示すように、Ｃｒ₂Ｏ₃が０．３重量％未満か、３．０重量％を超えると、はんだ付け性がやや悪くなる。なお、焼成時、電極表面にガラス相が浮き出るとはんだ付け性が悪化するが、Ｃｒにはガラス相の流動を防ぐ効果があり、はんだ付け性の悪化を防ぐことができる。

出発原料として、実施例１と同じＳｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃およびＣｒ₂Ｏ₃を準備した。また、いずれも粒径２．０μｍ以下のＣａＣＯ₃、Ｍｇ（ＯＨ）₂、ＺｎＯおよびＳｒＣＯ₃を準備した。

その後、実施例１と同様にして、表２に示す組成比率の磁器試料を得た。なお、焼成に際して、同一組成の試料について焼成温度を振り、焼成可能温度範囲を求めた。

一般に、セラミック焼成時の焼成収縮率の挙動は、焼成温度の上昇に伴ってある温度までは焼成収縮率が大きくなり、ある温度で最大値をとり、その後は逆に小さくなる傾向を示す。本発明においては、その焼成収縮率が最大値をとる温度を試料の最適焼成温度とし、さらにその収縮率の最大値との差が０．５％以内となる温度範囲を焼成可能温度範囲とし、易焼結性を示すパラメータとした。

以上の結果を表２に示す。なお、表２中、試料番号に◎印を付したものは本発明のより好ましい範囲のものであり、それ以外は本発明の範囲内にあるが、より好ましい範囲外のものである。

表２から明らかなように、副成分としてＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＳｒＯから選ばれる少なくとも１種を合計量で３重量部以下含有させることにより、焼成可能温度範囲が広くなり、焼結が容易となる。これに対して、試料３５、４１に示すように、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＳｒＯから選ばれる少なくとも１種を合計量で３重量部を超えて含有するものは、焼成温度が１０００℃前後に上昇し、焼成可能温度範囲の幅も上記酸化物が無添加の場合（試料３１）と比べて大差なくなる。

出発原料として、実施例１と同じ原料を準備した。その後、実施例１と同様にして、表１の試料８に示す組成比率の磁器組成物が得られるように調合し、スラリーを調整し、グリーンシートを得た。

その後、このグリーンシートを所定の寸法にカットし、カットした複数のグリーンシートの表面にスクリーン印刷法によりＣｕを主成分とする導体パターンを形成した。この導体パターンを形成した複数のグリーンシートにパンチャーを用いてビアホールを形成して、Ｃｕを主成分とする導体を充填した。そして、各グリーンシート表面の導体パターンを互いに電気的に接続できるようにして積み重ね、圧着した。このグリーンシート圧着体を窒素−水素の非酸化性雰囲気中、９８０℃で焼成した。

これにより、図１に示すような、セラミック層１、ビアホール２で電気的に接続された内部導体３を備えるセラミック多層基板を得た。

次に、得られたセラミック多層基板について、実施例１と同様にして抗折強度を測定したところ、２００ＭＰａ以上の優れた抗折強度が得られた。

図２は、本発明のセラミック電子部品の一実施形態である積層インダクタ１１の斜視図である。また図３は、積層インダクタ１１の構成を示す分解斜視図である。

積層インダクタ１１は、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック体１２と、セラミック体１２の内部に形成された内部導体１３ａ〜１３ｇと、セラミック体１２の表面に、内部導体１３ａ〜１３ｇと導通するように形成された、外部電極１４ａ、１４ｂとによって構成されている。

セラミック体１２は、本発明の磁器組成物よりなる。内部導体１３ａ〜１３ｇは、各々が電気的に直列に接続され、螺旋状のコイルを形成している。外部電極１４ａは、内部導体１３ａ〜１３ｇによって形成されたコイルの一端と接続するように、外部電極１４ｂは、そのコイルの他端と接続するように、セラミック体１２の表面に形成されている。

以下、図３に基づき、積層インダクタ１１の製造方法を説明する。出発原料として、実施例１と同じ原料を準備した。その後、実施例１と同様にして、表１の試料８に示す組成比率の磁器組成物が得られるように調合し、スラリーを調整し、グリーンシート１２ａ〜１２ｌを得た。

グリーンシート１２ｄ〜１２ｉには、その厚み方向に貫通孔を設け、その貫通孔にＣｕを主成分とする導電性ペーストを充填することで、ビアホール１５を形成した。さらに、グリーンシート１２ｄ〜１２ｊの表面には、Ｃｕを主成分とする内部導体１３ａ〜１３ｇをスクリーン印刷によって形成した。内部導体１３ａ〜１３ｇは、ビアホール１５を介して電気接続され、全体として螺旋状のコイルを形成する。

次に、グリーンシート１２ａ〜１２ｌを積層し、厚み方向に加圧して、積層体を得た。Ｃｕを主成分とするペーストをこの積層体の両端部に塗布し、窒素−水素の非酸化性雰囲気中、９８０℃で焼成した。これにより、セラミック体１２を得た。セラミック体１２の両端部には、外部電極１４ａ、１４ｂが形成された。

得られたセラミック体１２を、メッキ液に浸漬し、外部電極１４ａ、１４ｂの表面に、第１のメッキ皮膜としてニッケル電解メッキ膜（図示せず）、第２のメッキ皮膜としてスズメッキ膜（図示せず）を形成し、積層インダクタ１１を得た。

なお、本実施例においてセラミック体１２はシート積層で形成されているが、印刷や転写などの工法によって形成されてもよく、内部導体１３ａ〜１３ｇは、転写などの工法によって形成されてもよい。また、グリーンシート１２ｄ〜１２ｉの貫通孔への導電性ペーストの充填と、内部導体１３ａ〜１３ｇの形成とは、同時に行われてもよい。外部電極１４ａ、１４ｂについては、焼成後に焼付などの方法により形成してもよい。

また、本発明のセラミック電子部品は、本実施例のように積層インダクタに限らず、射出成形などによって形成されたコイル型電子部品であってもよく、またコンデンサやＬＣ複合部品などの電子部品であってもよい。

本実施例における積層インダクタ１１によれば、本発明の磁器組成物を用いているため、特性や信頼性の低下が抑えられ、製造歩留を向上させることができる。また、内部導体１３ａ〜１３ｇおよび外部電極１４ａ、１４ｂとして、いずれもＣｕを主成分とするペーストを用いているため、焼成時に内部導体１３ａ〜１３ｇや外部電極１４ａ、１４ｂの融解や揮発による焼失を防止することができる。さらに、内部導体１３ａ〜１３ｇと外部電極１４ａ、１４ｂとの界面に十分な接合性を持たせることができる。

本発明のセラミック多層基板の一例を示す、断面図である。本発明のセラミック電子部品の一例を示す、斜視図である。本発明のセラミック電子部品の構成を示す、分解斜視部図である。

符号の説明

１セラミック層
２ビアホール
３内部導体
４外部導体
１１積層インダクタ
１２セラミック体
１３内部導体
１４外部電極

Claims

金属元素としてＡｌ、Ｓｉ、Ｂａ、ＢおよびＣｒを含有する酸化物磁器組成物であって、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して１１．５〜６０．０重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して４．０〜７０．０重量％、ＢａをＢａＯに換算して４．０〜４０．０重量％、ＢをＢ₂Ｏ₃に換算して１．０〜３０．０重量％、およびＣｒをＣｒ₂Ｏ₃に換算して０．３〜３．０重量％含有することを特徴とする、酸化物磁器組成物。
請求項１に記載の酸化物磁器組成物を主成分とし、該主成分１００重量部に対して、副成分としてＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＳｒＯから選ばれる少なくとも１種を合計量で３重量部以下含有することを特徴とする、酸化物磁器組成物。
セラミック積層体と、該セラミック積層体のセラミック層間に形成された内部導体とを備える、セラミック多層基板であって、前記セラミック層が、請求項１または２のいずれかに記載の酸化物磁器組成物からなることを特徴とする、セラミック多層基板。
セラミック体と、該セラミック体の内部に形成された内部導体と、該セラミック体の表面に形成された外部電極とを備える、セラミック電子部品であって、前記セラミック体が、請求項１または２のいずれかに記載の酸化物磁器組成物からなることを特徴とする、セラミック電子部品。
前記内部導体および前記外部電極が、銅を主成分とすることを特徴とする、請求項４に記載のセラミック電子部品。