JP2022073617A - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を可能としつつ、クラックが発生しにくい積層セラミックコンデンサを提供する。【解決手段】本発明の積層セラミックコンデンサ１は、誘電体層１４と内部電極層１５とが交互に積層された内層部１１、及び、前記内層部１１の積層方向Ｔの両側にそれぞれ配置された外層部１２を有する積層体チップ１０、並びに、前記積層体チップ１０における前記積層方向Ｔと直交する幅方向Ｗの両側にそれぞれ配置されたサイドギャップ部３０、を備える積層体２と、前記積層体２における前記積層方向Ｔ及び前記幅方向Ｗと交差する長さ方向Ｌの両側にそれぞれ配置された外部電極３と、を備え、前記外層部１２の厚みをＴ１、前記サイドギャップ部３０の厚みをＷ１としたとき、Ｗ１及びＴ１は２０μｍ以下であり、かつ、０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１＜０．３である。【選択図】図３

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサに関する。

積層セラミックコンデンサにおいて、誘電体層と内部電極層とを交互に積層し、その積層方向の上下に外層部１２を配置して積層体チップを製造し、その積層体チップの両側面にサイドギャップ部を形成する、いわゆるサイドギャップ部後付け工法により製造されているものがある（特許文献１参照）。
サイドギャップ部後付け工法は、サイドギャップ部を薄くすることが比較的容易であるため、積層セラミックコンデンサの小型化に適している。

特開２０１２－９４８１９号公報

しかし、サイドギャップ部が薄くなると、稜線部やコーナー部においてクラックが発生しやすくなる傾向がある。
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、サイドギャップ部の厚みと外層部の厚みとが所定の関係にある場合、積層セラミックコンデンサを小型化しても、クラックの低減が可能であることを見出した。
本発明は、小型化を可能としつつ、クラックが発生しにくい積層セラミックコンデンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、誘電体層と内部電極層とが交互に積層された内層部、及び、前記内層部の積層方向の両側にそれぞれ配置された外層部１２を有する積層体チップ、並びに、前記積層体チップにおける前記積層方向と直交する幅方向の両側にそれぞれ配置されたサイドギャップ部、を備える積層体と、前記積層体における前記積層方向及び前記幅方向と交差する長さ方向の両側にそれぞれ配置された外部電極と、を備え、前記外層部１２の厚みをＴ１、前記サイドギャップ部の厚みをＷ１としたとき、Ｗ１及びＴ１は２０μｍ以下であり、かつ、０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１＜０．３である積層セラミックコンデンサを提供する。

本発明によれば、小型化を可能としつつ、クラックが発生しにくい積層セラミックコンデンサを提供することができる。

実施形態の積層セラミックコンデンサの概略斜視図である。 図１の積層セラミックコンデンサのＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１の積層セラミックコンデンサのＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 積層体の概略斜視図である。 積層体チップの概略斜視図である。 Ｗ１／Ｔ１を横軸とし、クラックの数を縦軸にしたグラブである。 積層セラミックコンデンサの製造方法を説明するフローチャートである。 素材シートの模式平面図である。 素材シートの積層状態を示す概略図である。 マザーブロックの模式的斜視図である。

以下、本発明の実施形態にかかる積層セラミックコンデンサ１について説明する。図１は、実施形態の積層セラミックコンデンサ１の概略斜視図である。図２は、図１の積層セラミックコンデンサ１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１の積層セラミックコンデンサ１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

積層セラミックコンデンサ１は、略直方体形状で、積層体２と、積層体２の両端に設けられた一対の外部電極３とを備える。積層体２は、誘電体層１４と内部電極層１５とを複数組含む内層部１１を含む。

以下の説明において、積層セラミックコンデンサ１の向きを表わす用語として、積層セラミックコンデンサ１において、一対の外部電極３が設けられている方向を長さ方向Ｌとする。誘電体層１４と内部電極層１５とが積層されている方向を積層方向Ｔとする。長さ方向Ｌ及び積層方向Ｔのいずれにも交差する方向を幅方向Ｗとする。なお、実施形態においては、幅方向は長さ方向Ｌ及び積層方向Ｔのいずれにも直交している。

図４は、積層体２の概略斜視図である。積層体２は、積層体チップ１０と、サイドギャップ部３０とを備える。図５は、積層体チップ１０の概略斜視図である。
以下の説明において、図４に示す積層体２の６つの外表面のうち、積層方向Ｔに相対する一対の外表面を第１の主面Ａａと第２の主面Ａｂとし、幅方向Ｗに相対する一対の外表面を第１の側面Ｂａと第２の側面Ｂｂとし、長さ方向Ｌに相対する一対の外表面を第１の端面Ｃａと第２の端面Ｃｂとする。
なお、第１の主面Ａａと第２の主面Ａｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめて主面Ａとし、第１の側面Ｂａと第２の側面Ｂｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめて側面Ｂとし、第１の端面Ｃａと第２の端面Ｃｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめて端面Ｃとして説明する。

（積層体２）
積層体２の寸法は、特に限定されないが、長さ方向Ｌ寸法が０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、幅方向Ｗ寸法が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、積層方向Ｔ寸法が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。

積層体２は、少なくとも主面Ａと側面Ｂとの間の稜線部Ｐ１が面取りされて丸みがつけられている。実施形態で面取り部分の図３に示すＲは、２３～２８μｍであり、Ｒは後述する外層部１２の厚みＴ１より大きいＲ＞Ｔ１の関係を有する。また、稜線部Ｐ１を構成する曲線には変曲点がない。
なお、積層体２の表面には、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ－Ｃａｒｂｏｎ）層もしくはＳｉＯ_２層が形成されている。これにより積層体２の表面である、主面Ａ、側面Ｂ、端面Ｃは高硬度、表面平滑性を有している。

（積層体チップ１０）
積層体チップ１０は、図５に示すように、内層部１１と、内層部１１の第１の主面Ａａ側に配置される上部外層部１２ａと、内層部１１の第２の主面Ａｂ側に配置される下部外層部１２ｂとを備える。なお、上部外層部１２ａと下部外層部１２ｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめて外層部１２として説明する。

（内層部１１）
内層部１１は、積層方向Ｔに沿って交互に積層された誘電体層１４と内部電極層１５とを複数組含む。

（誘電体層１４）
誘電体層１４は、厚みが０．５μｍ以下である。誘電体層１４は、セラミック材料で製造されている。セラミック材料としては、例えば、ＢａＴｉＯ_３を主成分とする誘電体セラミックが用いられる。また、セラミック材料として、これらの主成分にＭｎ化合物、Ｆｅ化合物、Ｃｒ化合物、Ｃｏ化合物、Ｎｉ化合物等の副成分のうちの少なくとも一つを添加したものを用いてもよい。なお、積層体チップ１０を構成する誘電体層１４の枚数は、上部外層部１２ａ及び下部外層部１２ｂも含めて１５枚以上７００枚以下であることが好ましい。

（内部電極層１５）
内部電極層１５は、複数の第１の内部電極層１５Ａと、複数の第２の内部電極層１５Ｂとを備える。第１の内部電極層１５Ａと第２の内部電極層１５Ｂとは、交互に配置されている。なお、第１の内部電極層１５Ａと第２の内部電極層１５Ｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめて内部電極層１５として説明する。

第１の内部電極層１５Ａは、第２の内部電極層１５Ｂと対向する第１の対向部１５２ａと、第１の対向部１５２ａから第１の端面Ｃａ側に引き出された第１の引き出し部１５１ａとを備える。第１の引き出し部１５１ａの端部は、第１の端面Ｃａに露出し、後述の第１の外部電極３Ａに電気的に接続されている。
第２の内部電極層１５Ｂは、第１の内部電極層１５Ａと対向する第２の対向部１５２ｂと、第２の対向部１５２ｂから第２の端面Ｃｂに引き出された第２の引き出し部１５１ｂとを備える。第２の引き出し部１５１ｂの端部は、後述の第２の外部電極３Ｂに電気的に接続されている。
そして、以上の内部電極層１５によれば、第１の内部電極層１５Ａの第１の対向部１５２ａと、第２の内部電極層１５Ｂの第２の対向部１５２ｂとに電荷が蓄積され、コンデンサの特性が発現する。

図３に示すように、積層体２の中心を通る幅方向Ｗ及び積層方向Ｔの断面であるＷＴ断面において、積層方向Ｔにおいて上下に隣り合う２つの第１の内部電極層１５Ａと第２の内部電極層１５Ｂとの幅方向Ｗの端部の積層方向Ｔにおける位置のずれｄは０．５μｍ以内である。すなわち、積層方向Ｔにおいて上下に隣り合う第１の内部電極層１５Ａと第２の内部電極層１５Ｂとの幅方向Ｗの端部は、幅方向Ｗ上において略同位置にあり、端部の位置が積層方向Ｔで揃っている。

内部電極層１５は、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｇ－Ｐｄ合金、Ａｕ等に代表される金属材料により形成されていることが好ましい。内部電極層１５の厚みは、例えば、０．５μｍ以上２．０ｍｍ程度であることが好ましい。内部電極層１５の枚数は、第１の内部電極層１５Ａ及び第２の内部電極層１５Ｂを合わせて１５枚以上２００枚以下であることが好ましい。

（外層部１２）
上部外層部１２ａ及び下部外層部１２ｂは、内層部１１の誘電体層１４と同じ、例えば、ＢａＴｉＯ_３を主成分とする誘電体セラミック材料で製造されている。

（サイドギャップ部３０）
サイドギャップ部３０は、積層体チップ１０の第１の側面Ｂａ側に設けられた第１のサイドギャップ部３０ａと、積層体チップ１０の第２の側面Ｂｂ側に設けられた第２のサイドギャップ部３０ｂと、を備える。
なお、第１のサイドギャップ部３０ａと第２のサイドギャップ部３０ｂとを特に区別して説明する必要のない場合、まとめてサイドギャップ部３０として説明する。

サイドギャップ部３０は、積層体チップ１０の両側面に露出している内部電極層１５の幅方向Ｗ側の端部を、その端部に沿って覆う。サイドギャップ部３０は、誘電体層１４と同様の、例えば、ＢａＴｉＯ_３を主成分とする誘電体セラミック材料で製造されているが、さらに焼結助剤として、Ｍｇ（マグネシウム）を含む。Ｍｇは、サイドギャップ部３０の焼結時に内部電極層１５側に移動することで、サイドギャップ部３０における内部電極層１５と接する側に偏析している。また、積層体チップ１０とサイドギャップ部３０との間には、界面が存在している。

また、実施形態では、サイドギャップ部３０は外側に位置するアウターサイドギャップ部３０ｏｕと内部電極層１５側に位置するインナーサイドギャップ部３０ｉｎとの２層構造である。また、アウターサイドギャップ部３０ｏｕは、外層部１２よりも厚いことが好ましい。ただし、これに限定されず、サイドギャップ部３０一層構造であってもよい。

実施形態のアウターサイドギャップ部３０ｏｕに含まれるＳｉのＴｉに対するモル比は、外層部１２に含まれるＳｉのＴｉに対するモル比より多い。
また、インナーサイドギャップ部３０ｉｎよりアウターサイドギャップ部３０ｏｕのＳｉの含有量が多い。

このようにアウターサイドギャップ部３０ｏｕに含まれるＳｉのＴｉに対するモル比は、外層部１２に含まれるＳｉのＴｉに対するモル比より多くし、またはインナーサイドギャップ部３０ｉｎよりアウターサイドギャップ部３０ｏｕのＳｉの含有量が多くすると、外層部１２の強度を向上させることができる。
ゆえに、稜線部Ｐ１やサイドギャップ部３０にクラックが生じ難くなる。ゆえに、クラックからの水分の浸入を防止することができ、積層セラミックコンデンサ１の絶縁性を確保することができる。その結果、信頼性の向上した積層セラミックコンデンサ１を提供することができる。

また、アウターサイドギャップ部３０ｏｕとインナーサイドギャップ部３０ｉｎとの間には界面が存在するので、この界面により積層セラミックコンデンサ１にかかる応力を緩和することができる。
ゆえに、このことからも、稜線部Ｐ１やサイドギャップ部３０にクラックが生じ難くなり、クラックからの水分の浸入を防止することができ、積層セラミックコンデンサ１の絶縁性を確保することができる。その結果、信頼性の向上した積層セラミックコンデンサ１を提供することができる。

実施形態においてサイドギャップ部３０の厚みＷ１と外層部１２の厚みＴ１は、２０μｍ以下である。また、Ｗ１＜Ｔ１であることが好ましい。
Ｗ１＜Ｔ１とすることにより、サイドギャップ部３０が外層部１２を引っ張る力が減少するので、稜線部Ｐ１におけるクラック発生を抑制することができる。

さらに、
０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１＜０．３ の関係を有する。
すなわち、サイドギャップ部３０の厚みＷが外層部１２の厚みＴより大きい場合は、
１．１＜Ｗ１／Ｔ１＜１．３
サイドギャップ部３０の厚みＷが外層部１２の厚みＴより小さい場合は、
０．７＜Ｗ１／Ｔ１＜０．９ となる。

また、０．８＜Ｗ１／Ｔ１＜１．３であることが好ましい。

図６は、｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１を横軸とし、一面あたりのクラックの数を縦軸にしたグラフである。図６は、Ｗ１＜Ｔ１の場合であるが、図示するように、０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１＜０．３の範囲において他の範囲よりクラックの数が少ないことがわかる。
なお、一面あたりのクラック数とは、第１の主面Ａａと第２の主面Ａｂと第１の側面Ｂａと第２の側面Ｂｂとの４面に生じているクラックを数え、それを４で割った数である。

また、前述のように、サイドギャップ部３０と主面Ａとの稜線部Ｐ１の面取り部分のＲは、２３～２８μｍであり、外層部１２の厚みＴ１より大きいＲ＞Ｔ１の関係を有する。また、稜線部Ｐ１を構成する曲線には変曲点がない。
Ｒ＞Ｔ１であるので、緻密化しやすいアウターサイドギャップ部３０ｏｕが、外層部１２から離れる。ゆえに、サイドギャップ部３０が外層側を引っ張る力が弱くなる。その結果、外層部１２の圧縮応力が高まって、外層部１２の強度を高くすることができ、外層部１２及び稜線部Ｐ１におけるクラックの発生が防止される。

外部電極３は、積層体２の第１の端面Ｃａに設けられている。外部電極３は、端面Ｃだけでなく、主面Ａ及び側面Ｂの端面Ｃ側の一部も覆っている。

上述のように、第１の内部電極層１５Ａの第１の引き出し部１５１ａの端部は第１の端面Ｃａに露出し、第１の外部電極３Ａに電気的に接続されている。また、第２の内部電極層１５Ｂの第２の引き出し部１５１ｂの端部は第２の端面Ｃｂに露出し、第２の外部電極３Ｂに電気的に接続されている。これにより、第１の外部電極３Ａと第２の外部電極３Ｂとの間は、複数のコンデンサ要素が電気的に並列に接続された構造となっている。

（製造工程）
図７は、積層セラミックコンデンサ１の製造方法を説明するフローチャートである。図８は、素材シート１０３の模式平面図である。図９は、素材シート１０３の積層状態を示す概略図である。図１０は、マザーブロック１１０の模式的斜視図である。

（マザーブロック製作工程Ｓ１）
まず、セラミックス粉末、バインダ及び溶剤を含むセラミックスラリーが準備される。このセラミックスラリーがキャリアフィルム上においてダイコータ、グラビアコータ、マイクログラビアコータ等を用いてシート状に成形されることで積層用セラミックグリーンシート１０１が製作される。

続いて、この積層用セラミックグリーンシート１０１に導電体ペーストが帯状のパターンを有するようにスクリーン印刷、インクジェット印刷、グラビア印刷等によって印刷されることにより、導電パターン１０２が形成される。

これにより、図８に示すように、誘電体層１４となる積層用セラミックグリーンシート１０１の表面に内部電極層１５となる導電パターン１０２が印刷された素材シート１０３が準備される。

続いて、図９に示すように、素材シート１０３が複数枚積層される。具体的には、帯状の導電パターン１０２が同一の方向を向き、かつ、その帯状の導電パターン１０２が隣り合う素材シート１０３間において幅方向において半ピッチずつずれた状態になるように、複数の素材シート１０３が積み重ねられる。さらに、複数枚積層された素材シート１０３の一方の側に、上部外層部１２ａとなる上部外層部用セラミックグリーンシート１１２が積み重ねられ、他方の側に下部外層部１２ｂとなる下部外層部用セラミックグリーンシート１１３が積み重ねられる。

続いて、上部外層部用セラミックグリーンシート１１２と、積み重ねられた複数の素材シート１０３と、下部外層部用セラミックグリーンシート１１３とを熱圧着する。これにより、図１０に示すマザーブロック１１０が形成される。

（マザーブロック切断工程Ｓ２）
次いで、マザーブロック１１０を、図１０に示すように、積層体チップ１０の寸法に対応した切断線Ｘ及び切断線Ｘと交差する切断線Ｙに沿って切断する。これにより、図５に示す複数の積層体チップ１０が製造される。なお、実施形態で切断線Ｙは切断線Ｘと直交している。

（サイドギャップ部用セラミックグリーンシート貼付工程Ｓ３）
次に、積層用セラミックグリーンシート１０１と同様の誘電体粉末に、Ｍｇが焼結助剤として加えられたセラミックスラリーが作製される。そして、樹脂フィルム上に、セラミックスラリーを塗布し、乾燥して、サイドギャップ部用セラミックグリーンシートが作製される。
そして、サイドギャップ部用セラミックグリーンシートを積層体チップ１０の内部電極層１５が露出している側部に張り付けることで、サイドギャップ部３０となる層が形成される。

（サイドギャップ部焼成工程Ｓ４）
積層体チップ１０にサイドギャップ部３０となる層が形成されたものは、窒素雰囲気中、所定の条件で脱脂処理された後、窒素－水素－水蒸気混合雰囲気中、所定の温度で焼成され、焼結されて積層体２となる。
ここで、焼結時にサイドギャップ部３０のＭｇは、内部電極層１５側に移動する。これにより焼結後、サイドギャップ部３０のＭｇは内部電極層側に偏析する。また、誘電体層１４と、サイドギャップ部３０とは、略同じ材料で製造されているが、サイドギャップ部３０は、誘電体層１４を含む積層体チップ１０に張り付けたものであるので、焼結後においても、サイドギャップ部３０と積層体チップ１０との間には界面が存在する。

（バレル工程Ｓ５）
次に、バレル工程Ｓ５において、積層体２に対してバレル研磨を施す。これにより、図５に示すように、積層体２の稜線部Ｐ１にＲがつけられる。

（外部電極形成工程Ｓ６）
次に、積層体２の両端部に、外部電極３が形成される。

（焼成工程Ｓ７）
そして、設定された焼成温度で、窒素雰囲気中で所定時間加熱する。これにより、外部電極３が積層体２に焼き付けられて積層セラミックコンデンサ１が製造される。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
アウターサイドギャップ部３０ｏｕに含まれるＳｉのＴｉに対するモル比は、外層部１２に含まれるＳｉのＴｉに対するモル比より多く、またはインナーサイドギャップ部３０ｉｎよりアウターサイドギャップ部３０ｏｕのＳｉの含有量が多い。これにより、外層部１２の強度を向上させることができる。
ゆえに、稜線部Ｐ１やサイドギャップ部３０にクラックが生じ難くなり、クラックからの水分の浸入を防止することができ、積層セラミックコンデンサ１の絶縁性を確保することができる。その結果、信頼性の向上した積層セラミックコンデンサ１を提供することができる。

また、アウターサイドギャップ部３０ｏｕとインナーサイドギャップ部３０ｉｎとの間には界面が存在するので、この界面により積層セラミックコンデンサ１にかかる応力を緩和することができる。
ゆえに、このことからも、稜線部Ｐ１やサイドギャップ部３０にクラックが生じ難くなり、クラックからの水分の浸入を防止することができ、積層セラミックコンデンサ１の絶縁性を確保することができる。その結果、信頼性の向上した積層セラミックコンデンサ１を提供することができる。

さらに、Ｗ１＜Ｔ１とすることにより、サイドギャップ部３０が外層部１２を引っ張る力が減少するので、稜線部Ｐ１におけるクラック発生を抑制することができる。

また、０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ＜０．３の関係を有するので、内層部体積の最大化とクラックの発生数の最小化の両立という効果を有する。

また、０．８＜Ｗ１／Ｔ１＜１．３とすると、積層時に十分な圧力がかかるため外層剥がれを抑制できるという効果を有する。

さらに、サイドギャップ部３０と主面Ａとの稜線部Ｐ１の面取り部分のＲは、外層部１２の厚みＴ１より大きい。このようにＲ＞Ｔ１であるので、緻密化しやすいアウターサイドギャップ部３０ｏｕが、外層部１２から離れる。ゆえに、サイドギャップ部３０が外層側を引っ張る力が弱くなる。その結果、外層部１２の圧縮応力が高まって、外層部１２の強度が高くなる。

１ 積層セラミックコンデンサ
２ 積層体
３ 外部電極
１０ 積層体チップ
１１ 内層部
１２ 外層部
１４ 誘電体層
１５ 内部電極層
３０ サイドギャップ部
３０ａ 第１のサイドギャップ部
３０ｂ 第２のサイドギャップ部
３０ｉｎ インナーサイドギャップ部
３０ｏｕ アウターサイドギャップ部

Claims (6)

1. 誘電体層と内部電極層とが交互に積層された内層部、及び、前記内層部の積層方向の両側にそれぞれ配置された外層部１２を有する積層体チップ、並びに、
   前記積層体チップにおける前記積層方向と直交する幅方向の両側にそれぞれ配置されたサイドギャップ部、を備える積層体と、
   前記積層体における前記積層方向及び前記幅方向と交差する長さ方向の両側にそれぞれ配置された外部電極と、を備え、
   前記外層部１２の厚みをＴ１、前記サイドギャップ部の厚みをＷ１としたとき、
   Ｗ１及びＴ１は２０μｍ以下であり、かつ、
   ０．１＜｜（Ｗ１－Ｔ１）｜／Ｔ１＜０．３である、
   積層セラミックコンデンサ。
2. ０．８＜Ｗ１／Ｔ１＜１．３である、
   請求項１に記載の積層セラミックコンデンサ。
3. Ｗ１＜Ｔ１である、
   請求項１に記載の積層セラミックコンデンサ。
4. 前記積層体の前記幅方向の両側の側面と、前記積層体の前記積層方向の両側の主面との稜線部の、前記積層体における、前記長さ方向の中央部での前記幅方向及び前記厚み方向を含む断面における曲率半径Ｒは、
   Ｒ＞Ｔ１である、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層セラミックコンデンサ。
5. 前記断面における前記稜線部を含む前記側面と前記主面とを繋ぐ曲線には、変曲点がない、
   請求項４に記載の積層セラミックコンデンサ。
6. 前記積層体の表面には、ダイヤモンドライクカーボン層もしくは二酸化シリコン層が形成されている、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層セラミックコンデンサ。

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