JPH10139538A - 誘電体磁器組成物 - Google Patents

誘電体磁器組成物

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JPH10139538A
JPH10139538A JP8290395A JP29039596A JPH10139538A JP H10139538 A JPH10139538 A JP H10139538A JP 8290395 A JP8290395 A JP 8290395A JP 29039596 A JP29039596 A JP 29039596A JP H10139538 A JPH10139538 A JP H10139538A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】比誘電率が10000以上、還元雰囲気中で1
200℃未満の低温焼成が可能で、積層セラミックコン
デンサを製造した際、誘電体層の厚みを5μm以下とし
た場合でも高温負荷寿命が長い誘電体磁器組成物を提供
する。 【解決手段】組成式を(Ba1-x Cax )(Ti1-y
y )O3 と表した時、x、yがそれぞれ0.01≦x
≦0.1、0.1<y<0.26を満足する主成分と、
該主成分100重量部に対して、Y2 3 を0.2〜
1.0重量部、MnO2 を0.06〜0.6重量部、A
2 3 を0.1〜1.0重量部、NiOを0.1〜
1.0重量部、更に(1- α)Li2 O−αSiO
2 (0.3<α<0.7 モル比)を0.1〜1.0重
量部含有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温焼成が可能な
高誘電率系誘電体磁器組成物に関するもので、特に静電
容量の温度特性に優れた高誘電率系セラミックコンデン
サや積層型セラミックコンデンサ、更にはアキシャルコ
ンデンサ、ディスクコンデンサ、厚膜コンデンサ等の誘
電体材料として好適な誘電体磁器組成物に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、高誘電率系セラミックコンデンサ
や積層型セラミックコンデンサに用いられる誘電体材料
としては、比誘電率が6000〜10000程度のチタ
ン酸バリウム(BaTiO3 )系の誘電体磁器組成物が
あり、なかでも前記誘電体磁器組成物を用いたものとし
て電気容量の観点から積層型セラミックコンデンサに多
く適用されてきた。
【0003】積層型セラミックコンデンサは、一般に誘
電体磁器組成物から成るグリーンシート上に電極を形成
し、該グリーンシートを所定の電気容量となるように複
数枚積層して前記電極を同時に焼成一体化し、複数の誘
電体層の間に内部電極を形成して構成されている。
【0004】しかしながら、前記チタン酸バリウム(B
aTiO3 )系の誘電体磁器組成物は、焼成温度が13
00〜1400℃程度と高く、しかも積層型セラミック
コンデンサの誘電体材料として使用するためには、同時
焼成する内部電極材料として高融点、高温還元性の貴金
属であるパラジウム(Pd)や白金(Pt)等を使用し
なければならず、安価で小型・大容量の積層型セラミッ
クコンデンサを製造することが困難であるという欠点が
あった。
【0005】そこで、従来、上記欠点を解決した非還元
性誘電体磁器組成物として、本願出願人による特公平6
ー78189号公報が知られている。
【0006】この公報に開示される非還元性誘電体磁器
組成物は、(1−x−y)BaTiO3 +BaZrO3
+y(Ca1-a Sra )ZrO3 からなる基本成分と、
23 、MnO、Al2 3 、NiOからなる添加成
分を含むもので、このような誘電体磁器組成物では、還
元雰囲気中で1300℃〜1340℃で焼成され、比誘
電率が8000以上と高く、絶縁抵抗も2.9×104
MΩ以上と高く、優れた誘電特性を有する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ダウンサイ
ジングの進む電子部品にあっては、より小型化、高容量
化を図るために誘電体磁器組成物から成る薄板状焼結体
(誘電体層)の薄板化が要求されるようになり、現在そ
の要求厚さは10μm以下となってきている。
【0008】しかしながら、上記特公平6ー78189
号公報に開示される誘電体磁器組成物では、積層セラミ
ックコンデンサを製造する際、誘電体層を薄くすると一
対の内部電極間の絶縁耐圧が低下するという問題があっ
た。
【0009】また、静電容量の増大を図るための別の方
法として、比誘電率が高い磁器を使用する方法がある
が、従来の誘電体磁器では比誘電率の向上に限界があ
り、高容量化に限界があった。
【0010】さらに、前記誘電体材料を用いて、厚さが
5μm以下の薄層から成る積層型コンデンサを作製した
場合、85℃で電界強度が1.2×104 V/mmの直
流電圧を印加した高温負荷寿命が10時間未満と短く、
また焼成温度が1300℃以上と高いため、100層を
越える積層体では、内部電極の縮みによる構造欠陥が発
生しやすかった。この為小型で大容量のコンデンサの製
造が困難であった。
【0011】本発明は前記課題に鑑みなされたもので、
その目的は、室温での比誘電率が10000以上と高
く、1200℃未満の低温焼成で厚さ5μm以下の表面
平滑な薄板状焼結体を得ることができ、厚さ5μm以下
の誘電体層を有する積層セラミックコンデンサを作製し
た場合でも高温負荷寿命が40時間以上と長く、100
層以上の積層体においても構造欠陥の発生しない小型・
大容量の積層型セラミックコンデンサをはじめ、各種コ
ンデンサに適用し得る誘電体磁器組成物を提供すること
にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体磁器組成
物は、金属元素として少なくともBa、Ca、Tiおよ
びZrを含有し、これらの金属元素酸化物の組成式を
(Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry )O3 と表した
時、前記x、yがそれぞれ0.01≦x≦0.1、0.
1<y<0.26を満足する主成分と、該主成分100
重量部に対して、酸化イットリウムをY2 3 換算で
0.2〜1.0重量部、マンガン化合物をMnO2 換算
で0.06〜0.6重量部、アルミナをAl2 3 換算
で0.1〜1.0重量部、酸化ニッケルをNiO換算で
0.1〜1.0重量部、更に(1- α)Li2 O−αS
iO2 (0.3<α<0.7 モル比)を0.1〜1.
0重量部含有してなるものである。
【0013】
【作用】本発明の誘電体磁器組成物によれば、チタンジ
ルコン酸バリウムカルシウムから成る複合酸化物を主成
分とする誘電体磁器組成物に、Y2 3 、NiO、Mn
2 、Al2 3 を含有させ、さらにLi2 OとSiO
2 を含有させたことから、比誘電率を10000以上に
維持し、かつ1200℃未満での還元雰囲気中での低温
焼成を可能としながら、厚さ5μm以下の薄層から成る
積層型コンデンサであっても、Y5V特性を満足するこ
とができるようになる。
【0014】また、1200℃未満で焼成可能なため、
100層以上積層したとしても、内部電極の異常粒成長
がなく、凝縮もなく、内部電極の収縮による構造欠陥が
発生しない。
【0015】さらに、誘電体磁器組成物として基本的な
特性である誘電損失tanδが1.0%以下、絶縁抵抗
IRが1.0×105 MΩ以上を満足し、85℃で電界
強度が1.2×104 V/mmの直流電圧を印加した高
温負荷試験で40時間以上不良が発生せず、さらに焼成
温度が1200℃未満と工業的にも製造し易くなり、各
種セラミックコンデンサに適用可能な誘電体磁器組成物
が得られる。
【0016】特に、本願発明では、(1- α)Li2
−αSiO2 (0.3<α<0.7モル比)を0.1〜
1.0重量部含有することにより、85℃で電界強度が
1.2×104 V/mmの直流電圧を印加した高温負荷
試験で40時間以上不良が発生しにくくなる。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の誘電体磁器組成物は、組
成式を(Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry)O3 と表
した時、x、yがそれぞれ0.01≦x≦0.1、0.
1<y<0.26で示される主成分100重量部に対し
て、酸化イットリウムをY2 3 換算で0.2〜1.0
重量部、マンガン化合物をMnO2 換算で0.06〜
0.6重量部、アルミナをAl2 3 換算で0.1〜
1.0重量部、酸化ニッケルをNiO換算で0.1〜
1.0重量部、更に(1- α)Li2 O−αSiO2
表される混合物を0.1〜1.0重量部含有してなるも
のである。
【0018】本発明において、チタンジルコン酸バリウ
ムカルシウムから成る複合酸化物を(Ba1-x Cax
(Ti1-y Zry )O3 と表した時、xを0.01〜
0.1としたのは、モル分率xが0.01未満の場合に
は絶縁抵抗が1×105 MΩよりも小さくなり、モル分
率xが0.1を越える場合には、室温における比誘電率
εrが10000未満と小さくなるからである。また、
yを0.1<y<0.26としたのは、モル分率yが
0.1以下や0.26以上の場合、室温における比誘電
率εrが10000未満と小さくなるからである。
【0019】従って、Y5V特性を満足し、10000
以上の高い比誘電率を維持し、かつ小型・大容量の積層
コンデンサをはじめとする各種コンデンサを得るために
は、xの値は0.01〜0.1以下、yの値は0.1を
越え0.26未満に特定され、とりわけxの値は0.0
3〜0.08、yの値は0.18〜0.20の範囲が望
ましいものである。
【0020】また、酸化イットリウム(Y2 3 )は、
誘電体磁器組成物の比誘電率と絶縁抵抗を調整するもの
であり、その含有量が上記した主成分100重量部に対
して、酸化イットリウムをY2 3 換算で0.2〜1.
0重量部含有せしめたのは、0.2重量部未満では比誘
電率が9000未満と小さくなり実用範囲外となる。
【0021】また1.0重量部を越えると、室温におけ
る比誘電率εが9000未満と小さくなり、絶縁抵抗I
Rが大きく低下してしまい実用範囲外となるため、0.
2〜1.0重量部に特定され、より望ましくは0.3〜
0.6重量部となる。
【0022】更に、マンガン化合物は、例えば誘電体磁
器組成物の誘電損失tanδを改善し、絶縁抵抗を改善
するものである。その含有量を主成分100重量部に対
して、マンガン化合物をMnO2 換算で0.06〜0.
6重量部含有せしめたのは、酸化マンガンが0.06重
量部未満では誘電損失tanδが1%以上と大となり、
絶縁抵抗も実用範囲外となる。また0.6重量部を越え
ると、比誘電率が9000以下となるからである。従っ
て、マンガン化合物の含有量は、主成分100重量部に
対して、酸化マンガン(MnO2 )に換算して0.06
〜0.6重量部に限定され、特に0.15〜0.3重量
部が望ましい。
【0023】一方、アルミナ化合物は、例えば誘電体磁
器組成物の焼結性を向上させるために含有させるもので
あり、主成分100重量部に対して、アルミナをAl2
3換算で0.1〜1.0重量部含有せしめたのは、酸
化アルミニウム(Al2 3)に換算して0.1重量部
未満では比誘電率が10000以下と低下し、1.0重
量部を越えると、誘電損失tanδが1.0%を越え
て、比誘電率が9000以下となってしまう。含有量は
0.1〜1.0重量部に特定され、より望ましくは0.
2〜0.4重量部が望ましい。
【0024】また、酸化ニッケル(NiO)は、誘電体
磁器組成物の絶縁抵抗を調整するものであり、その含有
量を主成分100重量部に対してNiO換算で0.1〜
1.0重量部含有せしめたのは、0.1重量部未満で
は、絶縁抵抗が実用以下となり、1.00重量部を越え
ると比誘電率が9000以下となってしまう。含有量は
0.1〜1.0重量部に限定され、より望ましくは、
0.2〜0.6重量部が望ましい。
【0025】また、Li2 OとSiO2 を含有せしめた
のは、誘電体磁器組成物の焼成温度を低下させ、信頼性
(高温負荷試験)を向上させるためであり、(1- α)
Li2 O−αSiO2 で表されるものを0.1〜1.0
重量部含有せしめたのは、0.1重量部未満では130
0℃以上にならないと焼結せず、信頼性も低下する。
【0026】1.0重量部より多いと比誘電率が900
0以下となってしまう。含有量は0.1〜1.0重量部
に限定され、特に0.2〜0.5重量部が望ましい。
【0027】Li2 OとSiO2 の混合比を決めるα
は、0.3以下の時は、比誘電率が9000以下とな
り、0.7以上の時は絶縁抵抗が小さくなる傾向にあ
る。特に0.4〜0.6が望ましい。
【0028】本発明の誘電体磁器組成物は、金属元素酸
化物の組成式を(Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry
3 と表した時、x、yがそれぞれ0.03≦x≦0.
08、0.18≦y≦0.20を満足する主成分と、該
主成分100重量部に対して、酸化イットリウムをY2
3 換算で0.3〜0.6重量部、マンガン化合物をM
nO2 換算で0.15〜0.3重量部、アルミナをAl
2 3 換算で0.2〜0.4重量部、酸化ニッケルをN
iO換算で0.2〜0.6重量部、更に(1-α)Li
2 O−αSiO2 で表されるものを0.2〜0.5重量
部含有してなり、0.4≦α≦0.6を満足することが
望ましい。
【0029】本発明の誘電体磁器組成物からなる磁器
は、通常、結晶相として、Y、Al、Niが固溶した
(Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry )O3 相が主結晶
相となり、この主結晶相の粒界にMnO2 相および(1
- α)Li2 O−αSiO2 で表されるガラスが存在す
る。尚、Y、Al、Niが固溶した(Ba1-x Cax
(Ti1-y Zry )O3 相が主結晶相で、これらの結晶
相の粒界に、Y2 3 相、Al2 3 相、NiO相、M
nO2 相が存在することもある。また、Li2 O、Si
2 は、主結晶相中に固溶することもある。
【0030】また、主結晶の平均結晶粒径は、2〜4μ
mであることが、信頼性(薄層化)という観点から望ま
しい。
【0031】本発明の誘電体磁器組成物は、不純物とし
てSrO等が混入する場合があり、また、粉砕ボールか
らAl2 3 やZrO2 等が混入する場合もある。
【0032】本発明の誘電体磁器組成物は、モル分率x
が0.01〜0.1、モル分率yが0.1を越え0.2
6未満で平均粒径が1μm以下である(Ba1-x
x )(Ti1-y Zry )O3 粉末を用い、この(Ba
1-x Cax )(Ti1-y Zry )O3 粉末100重量部
に対して、イットリア(Y2 3 )、マンガン化合物
(MnCO3 )、ニッケル化合物(NiO)、アルミナ
(Al2 3 )及びSiO2、Li2 Oの各粉末を所定
量添加し、それらの混合粉末を、例えばZrO2 ボール
を用いたボールミルにて湿式混合粉砕する。
【0033】次いで、前記混合粉砕物に有機系粘結剤と
媒体から成るバインダーを添加して攪拌してセラミック
泥漿を調製した後、得られたセラミック泥漿を脱泡し、
該泥漿を用いてドクターブレード法により台板上に所定
厚さの誘電体層の成形膜を作製した。この工程を繰り返
し誘電体層の成形膜を塗り重ね、積層成形体を作製し、
該積層体を還元雰囲気中で1100〜1300℃の範囲
の各温度で1〜3時間焼成した後、大気中において80
0〜900℃で0.5〜3時間再酸化処理することによ
り得られる。
【0034】
【実施例】先ず、出発原料としてチタン酸バリウム(B
aTiO3 )とカルシア(CaO)、ジルコニア(Zr
2 )により、モル分率xが0〜0.11、モル分率y
が0.1〜0.26未満で平均粒径が1μm以下である
(Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry )O3 からなる主
成分を作製する。この主成分100重量部に対して、イ
ットリア(Y2 3 )、マンガン化合物(MnC
3 )、ニッケル化合物(NiO)、アルミナ(Al2
3 )及びSiO2 、Li2 Oの各粉末を、表1,2に
示す量(重量部)だけ秤量し、それらの粉末をZrO2
ボールを用いたボールミルにて20時間湿式混合粉砕し
た。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】次いで、混合粉砕物に有機系粘結剤と媒体
から成るバインダーを添加し攪拌してセラミック泥漿を
調製した後、得られたセラミック泥漿を脱泡し、該泥漿
を用いてドクターブレード法により台板上に厚さ約10
μmの成形膜を作製した。乾燥後繰り返し成形膜を10
0回塗り重ね厚さ1mmの積層体を作製し、該積層体を
直径20mmの円板状に打ち抜き、還元雰囲気中で表
3、4で示す温度で2時間焼成した後、大気中800℃
で1時間再酸化処理した。
【0038】その後、円板状焼結体の両端面にInーG
aを塗布し、評価用試料とした。
【0039】かくして得られた評価用試料を用い、先
ず、基準温度25℃、周波数1.0kHz、測定電圧
1.0Vrmsの測定条件で、評価用試料の比誘電率ε
r及び誘電損失tanδを測定し、更に、直流電圧50
Vを1分間印加した時の絶縁抵抗IRを測定した。
【0040】測定結果から、比誘電率εが10000未
満では、例えば積層型セラミックコンデンサでは小型化
ができないため、10000以上を良とし、更に、誘電
損失tanδは、1.0%以上になると、例えばコンデ
ンサのチップ化が困難となる等のため、1.0%未満を
良と評価した。一方、絶縁抵抗IRは、1.0×105
MΩ未満では、積層型セラミックコンデンサとして絶縁
抵抗の規格を満足せず、絶縁不良となるため、1.0×
105 MΩ以上を良と評価した。
【0041】更に、アルキメデス法で密度を測定し、該
密度が5.7g/cm3 以下ではこれら高誘電率系の誘
電体磁器組成物は焼成不十分であることを示しており、
1200℃未満の低温焼成で実用的な焼結体が得られな
いことから、密度は5.7g/cm3 以上を良と評価し
た。以上の結果を、表3,4に示す。
【0042】
【表3】
【0043】
【表4】
【0044】表3,4から明らかなように、試料番号
1、20、21、36、58では絶縁抵抗が規格外とな
り、試料番号45は焼成温度が1310℃となってい
る。また、試料番号1、9、21、35、36、58
は、誘電損失が1.00%以上と大きい。さらに、試料
8、9、13、14、20、27、28、35、44、
45、54、55は比誘電率が10000より小さくな
り積層セラミックコンデンサの小型化ができない。
【0045】それに対して、本願発明の試料番号のもの
は、比誘電率が10000以上と高く、焼成温度は12
00℃以下と低く、誘電損失も1.00%以下、密度は
5.7g/cm3 以上、更に絶縁抵抗も1.0×105
MΩといずれの要求特性をも満足するものになってい
る。
【0046】次に、表1,2に示す組成で上記と同様に
して調製したセラミック泥漿を用いて成形した厚さ7μ
mの各成形膜上に、Ni粉末から成る内部電極用ペース
トを用いて電極を所定形状にスクリーン印刷した後、成
形膜を塗り重ね、印刷→成形膜をそれぞれ20回繰り返
した。こうして得られた積層体を、所定寸法に切断して
グリーンチップを作製した。
【0047】得られたグリーンチップを大気中、400
℃の温度で2時間保持してバインダーを完全に分解して
脱バインダーした後、それぞれ各組成に対応した表3,
4に示す焼成温度で還元雰囲気中2時間保持して焼成し
た後、Air雰囲気中で800℃1時間酸化処理を行っ
た。
【0048】その後、Cuから成る外部取り出し電極を
焼き付け、評価用のチップコンデンサを作製した。
【0049】尚、前記評価用チップコンデンサの誘電体
層一層の厚さは、いずれも5μmであり、型式2125
型、有効積層数20層であった。
【0050】かくして得られた評価用チップコンデンサ
を用い、先ず、基準温度25℃、周波数1.0kHz、
測定電圧1.0Vrmsの測定条件で、評価用チップコ
ンデンサの静電容量及び誘電損失を測定し、基準温度2
5℃の静電容量に対する−30℃から+85℃までの温
度における静電容量の温度変化率TCCを測定した。
【0051】さらに、85℃で電界強度が1.2×10
4 V/mmの直流電圧の印加状態を保つ高温負荷試験を
行った。この高温負荷試験は、300個の評価用チップ
コンデンサについて行い、最初にショートとしたチップ
コンデンサの、電圧印加開始からショートに至るまでの
時間を測定することにより行った。
【0052】高温負荷試験は、40時間未満に不良が発
生した場合、積層型セラミックコンデンサの規格を満足
しなくなることから、40時間以上不良が発生しないこ
とを良とした。
【0053】
【表5】
【0054】
【表6】
【0055】表5,6から明らかなように、試料番号1
では温度特性TCCが規格外となり、試料9、13も規
格を満足しない。規格に適合しても例えば、試料番号
8、14、20、27、28、35、44、54、55
は、いずれも静電容量が350nF未満と小さく、積層
型セラミックコンデンサの小型化が実現できない。
【0056】また、試料番号1、9、14、21、3
5、36、58は、誘電損失が7.5%以上となって実
用範囲外となっている。
【0057】それに対して、本願発明の試料番号のチッ
プコンデンサは、いずれも静電容量が350nF以上と
高く、焼成温度も1200℃以下と低く、かつ誘電損失
も7.5%以下と小さく、温度特性もY5V特性を満足
する。
【0058】また、 また、(1- α)Li2 O−αS
iO2 を含有しない試料No.45では、高温負荷試験に
おいて40時間未満に不良が発生することが判る。そし
て、この試料No.45では、誘電体層の薄層化に伴う導
電性ペーストの収縮で、内部電極にデラミネーションが
発生し、信頼性が悪くなることが判る。尚、高温負荷試
験において40時間未満に不良が発生する試料No.1、
20、21、36、58については、絶縁抵抗の低下に
よる不良である。
【0059】
【発明の効果】本発明の誘電体磁器組成物は、チタンジ
ルコン酸バリウムカルシウムから成る複合酸化物を主成
分とし、該主成分に酸化イットリウム、アルミナ、酸化
ニッケル、マンガン化合物、さらにLi2 OとSiO2
を含有させたことから、比誘電率が10000以上、還
元雰囲気中で1200℃未満の低温焼成が可能で、厚さ
5μm以下の薄板表面が平滑で緻密な薄板状焼結体を得
ることができるとともに、積層セラミックコンデンサを
製造した際、誘電体層の厚みを5μm以下とした場合で
も高温負荷寿命が長く、EIA規格のY5V特性を満足
し、安価な内部電極材料を用いた小型・大容量の積層型
セラミックコンデンサをはじめ、各種コンデンサに適用
できる誘電体磁器組成物を得ることができる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属元素として少なくともBa、Ca、T
    iおよびZrを含有し、これらの金属元素酸化物の組成
    式を (Ba1-x Cax )(Ti1-y Zry )O3 と表した時、前記x、yがそれぞれ 0.01≦x≦0.10 0.10<y<0.26 を満足する主成分と、該主成分100重量部に対して、
    酸化イットリウムをY23 換算で0.2〜1.0重量
    部、マンガン化合物をMnO2 換算で0.06〜0.6
    重量部、アルミナをAl2 3 換算で0.1〜1.0重
    量部、酸化ニッケルをNiO換算で0.1〜1.0重量
    部、更に(1- α)Li2 O−αSiO2(0.3<α
    <0.7 モル比)を0.1〜1.0重量部含有してな
    ることを特徴とする誘電体磁器組成物。
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