JP5220837B2

JP5220837B2 - 積層セラミックキャパシタ及びその製造方法

Info

Publication number: JP5220837B2
Application number: JP2010285606A
Authority: JP
Inventors: ホ・カン・ホン; キム・ビュン・キョン; クォン・サン・フン; キム・ド・ヨン; キム・ヒュン・テ; キム・ミ・ヨン; ナ・ウン・サン; イ・ジェ・ジュン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: KR20110072397A; JP2011135082A; KR101060824B1; US20150179340A1; US20110149471A1

Description

本発明は、積層セラミックキャパシタ及びその製造方法に関し、より詳細には、安定して静電容量を確保するとともに電極物質の拡散によるクラックを防止することのできる積層セラミックキャパシタ及びその製造方法に関する。

一般に、多層セラミックキャパシタは、複数のセラミック誘電体シートと、その複数のセラミック誘電体シート間に挿入された内部電極とを含む。このような多層セラミックキャパシタは、小型であり、かつ高静電容量を実現することができ、基板上に容易に実装することができ、様々な電子装置の容量性部品として広く用いられている。

最近、電子製品が小型化及び多機能化するにつれてチップ部品も小型化及び高機能化する傾向にあるため、多層セラミックキャパシタも小型かつ大容量の製品が要求されている。従って、近年、誘電体層の厚さが２ｕｍ以下であり、かつ積層数が５００層以上である積層セラミックキャパシタが製造されている。

このようなセラミックキャパシタの側断面のうち、内部電極が露出している側断面には外部電極が設置される。一般に、外部電極の形成のために用いられる従来の導電性ペーストは、通常の銅粉末を含有し、この粉末にはガラスフリット（ｆｒｉｔ）、ベース樹脂、有機ビヒクル（ｖｅｈｉｃｌｅ）などが混合される。

このような外部電極は、セラミックキャパシタの側断面に外部電極ペーストを塗布し、外部電極ペーストが塗布されたセラミックキャパシタを焼成して、外部電極ペースト内の金属粉末を焼結することにより形成する。

低積層セラミックキャパシタの場合、外部電極と内部電極間の拡散層が十分に形成されても、外部電極から内部電極への拡散によるクラックが発生しないので、研摩技術、外部電極ペーストの組成、外部電極の焼成における主要技術の１つにより、外部電極と内部電極間の接触性を最大限よくして静電容量のばらつきを減らすことが主要な関心事であった。

しかし、超大容量の高積層セラミックキャパシタの場合は、外部電極と内部電極間の接触性をよくした場合も、低積層セラミックキャパシタでは発生しなかった深刻な問題が発生する。具体的には、高積層セラミックキャパシタにおいては、外部電極から内部電極への拡散が激しいと、内部電極の体積膨張によりクラックが発生し、発生したクラックによる曲げ強度の低下及びクラックからのメッキ液の浸透により、製品の信頼性が低下するという問題があった。

米国特許出願公開第２００８／００３０９２１号明細書韓国登録特許第１０−０８６６４７８号公報

本発明の目的は、安定して静電容量を確保するとともに電極物質の拡散によるクラックを防止することのできる積層セラミックキャパシタ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタは、内部電極形成物質を含む内部電極及び誘電体層が交互に積層されたキャパシタ本体と、前記キャパシタ本体の外部表面に形成されて前記内部電極に電気的に接続され、外部電極形成物質を含む外部電極とを含み、前記内部電極は、前記外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層、及び前記非拡散層の両側端部の少なくとも一方の端部に形成される、前記外部電極形成物質の拡散層を備える。

ここで、前記非拡散層は、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル合金（Ｎｉａｌｌｏｙ）及び前記外部電極形成物質を含むようにしてもよい。

一方、前記外部電極形成物質は、銅（Ｃｕ）又は銅合金（Ｃｕａｌｌｏｙ）を含むようにしてもよい。

また、前記拡散層は、ニッケル銅合金（Ｎｉ／Ｃｕａｌｌｏｙ）を含むようにしてもよい。

ここで、前記誘電体層の積層数は５０〜１０００であってもよい。

本発明の他の実施形態による積層セラミックキャパシタの製造方法は、内部電極形成物質を含む内部電極及び誘電体層を交互に積層してキャパシタ本体を形成する段階と、前記キャパシタ本体の上面及び下面の少なくとも一面に誘電体形成物質を含む保護層を形成する段階と、前記キャパシタ本体を加圧する段階と、前記キャパシタ本体を焼成する段階とを含み、前記内部電極は、前記外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層、及び前記非拡散層の両側端部の少なくとも一方の端部に形成される、前記外部電極形成物質の拡散層を備える。

ここで、前記非拡散層は、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル合金（Ｎｉａｌｌｏｙ）及び前記外部電極形成物質からなるようにしてもよい。

一方、前記外部電極形成物質は、銅（Ｃｕ）又は銅合金（Ｃｕａｌｌｏｙ）からなるようにしてもよい。

また、前記拡散層は、ニッケル銅合金（Ｎｉ／Ｃｕａｌｌｏｙ）からなるようにしてもよい。

ここで、前記加圧段階と前記焼成段階との間に、個別単位を形成するように前記キャパシタ本体を切断する段階をさらに含むようにしてもよい。

本発明によれば、安定して静電容量を確保するとともに電極物質の拡散によるクラックを防止することのできる積層セラミックキャパシタ及びその製造方法が提供される。

本発明においては、内部電極と外部電極の界面の接触性を向上させることにより、外部電極から内部電極への拡散によるクラック及びデラミネーションを防止することができる。

また、本発明においては、外部電極から内部電極への拡散層の深さに応じた静電容量、クラックの発生と信頼性間の相関関係を解明し、適切な拡散層の深さ制御により、超大容量かつ高積層数を有する積層セラミックキャパシタ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よる積層セラミックキャパシタを示す概略斜視図である。図１のＡ−Ａ’線断面図である。図１のＢ−Ｂ’線断面図である。本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタの製造工程を示す概略断面図である。図４ａに続く工程の概略断面図である。図４ｂに続く工程の概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明するにあたって、関連の公知機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする場合は、その詳細な説明を省略する。

なお、類似の機能及び作用を果たす部分には図面全体にわたって同一の符号を付す。

また、明細書全体にわたって、ある部分が他の部分と「連結」されているというのは、「直接的に連結」されている場合だけでなく、さらに他の素子を介して「間接的に連結」されている場合も含む。そして、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことがあることを意味する。

以下、図１〜図４ｃを参照して、本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタ及びその主要製造工程について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタを示す概略斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図であり、図４ａ〜図４ｃは、本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタの主要製造工程を示す概略断面図である。

本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタは、キャパシタ本体１と外部電極２とを含む。

キャパシタ本体１は、その内部に複数の誘電体層６が積層されており、複数の誘電体層６間に内部電極４が挿入されている。ここで、誘電体層６は、チタン酸バリウム（Ｂａ_２ＴｉＯ_３）で形成し、内部電極４は、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル合金及び外部電極形成物質を含み、外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層４ａ、及び内部電極４の両側端部の少なくとも一方に形成される、外部電極形成物質の拡散層４ｂを備える。

外部電極２は、キャパシタ本体１の両側面に形成される。外部電極２は、キャパシタ本体１の外表面に露出した内部電極４に電気的に接続するように形成することによって、外部端子の役割を果たす。ここで、外部電極２は、銅（Ｃｕ）及び銅合金で形成する。つまり、外部電極２と接触する拡散層４ｂは、外部電極２から拡散される外部電極形成物質を含むので、ニッケル銅合金を含む。

本発明の一実施形態による積層セラミックキャパシタは、内部に誘電体層６と内部電極４が交互に積層された有効層２０を含み、さらに、有効層２０の上面及び下面に誘電体層が積層されて形成された保護層１０を含む。

保護層１０は、有効層２０の上面及び下面に複数の誘電体層を連続的に積層して形成することにより、外部の衝撃などから有効層２０を保護する。

有効層２０の内部電極４がニッケル（Ｎｉ）で形成された場合、その熱膨張係数は約１３×１０^−６／℃であり、セラミックで形成された誘電体層６の熱膨張係数は約８×１０^−６／℃である。このような誘電体層６と内部電極４間の熱膨張係数の差により、焼成及びリフローソルダなどによる回路基板への実装工程などで熱衝撃が加わった場合、誘電体層６には応力が加わる。従って、熱衝撃時、応力により誘電体層６にクラックが発生することがある。また、外部電極２から内部電極４への拡散が激しい場合も、内部電極４の体積膨張によりクラックが発生することがある。このように発生したクラックからのメッキ液の浸透により、製品の信頼性が低下する恐れがある。

従って、安定した静電容量の確保と熱衝撃及び内部電極４の体積膨張によるクラック発生の防止という面で、内部電極４に、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル合金の内部電極形成物質の他に外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層４ａを形成することによって、焼成後に内部電極４の両側端部の少なくとも一方に外部電極形成物質の拡散層４ｂが形成されて、外部電極２との接触性が向上する。内部電極形成物質に添加される外部電極形成物質の量は、実験により決定される。

まず、図４ａに示すように、バインダー、可塑剤、及び残量の誘電体物質を含むスラリーを成形してキャパシタ本体１の誘電体層６を形成し、誘電体層６に導電性内部電極４を印刷した。ここで、内部電極形成物質は、ニッケル（Ｎｉ）に外部電極形成物質である銅（Ｃｕ）を添加したものであり、銅含量は、０〜３０ｖｏｌ％の範囲で変化させた。次に、印刷された誘電体層６で所定の厚さの積層体を製作した。ここで、誘電体層６の積層数は、５０〜１０００層にした。

次に、図４ｂに示すように、一定温度で加圧した。ここでは、並んで印刷された内部電極４間の空いた空間と誘電体層６が交互に積層される形状を有して累積段差量が大きい積層セラミックキャパシタのＷ断面を例とした。積層セラミックキャパシタのＬ断面は、並んで印刷された内部電極４間の空いた空間上に、Ｗ断面と同様に誘電体層６が積層されるが、その誘電体層６上には、再び並んで印刷された内部電極４間の空いた空間が位置するのではなく、Ｗ断面とは異なり、内部電極４が印刷されている。従って、Ｗ断面がＬ断面に比べて相対的にさらに大きい累積段差量を有するので、加圧時、並んで印刷された内部電極４間の誘電体層６が多く陥没する。

次に、図４ｃに示すように、積層セラミックキャパシタの陥没した部分を切断して個別の積層セラミックキャパシタを形成した。

次に、銅を含む外部電極２を取り付け、焼成及びメッキ工程を行うことにより、図１のような積層セラミックキャパシタを完成した。

表１は、本発明による積層セラミックキャパシタの外部電極形成物質である銅を５ｖｏｌ％添加して内部電極４を形成し、キャパシタ本体１の外側端部に外部電極形成物質である銅ペーストを塗布した後、焼成条件を変化させて形成した積層セラミックキャパシタにおいて、積層セラミックキャパシタの静電容量、熱衝撃、並びに拡散によるクラック発生数及び信頼性に関する実験結果を拡散層４ｂの深さ別に示す。ここで、クラック発生数は、１０個の内部電極４が見える倍率でのＥＰＭＡ分析結果を基準に評価したものである。

表１から分かるように、拡散層４ｂの深さが１μｍ未満の場合も、拡散によるクラック発生や信頼性の問題は発生せず、拡散層４ｂの深さが１μｍの場合は、クラック発生や信頼性の問題が発生しないだけでなく、静電容量低下の問題も発生しなかった。また、拡散層４ｂの深さが１６μｍの場合までクラック発生や信頼性の問題が発生しなかったことが分かる。

表２は、内部電極４に添加される外部電極形成物質である銅の含量（ｖｏｌ％）を変化させて内部電極４を形成し、キャパシタ本体１の外側端部に外部電極形成物質である銅ペーストを塗布した後、７８５℃で４０分間焼成して形成した積層セラミックキャパシタにおいて、積層セラミックキャパシタの静電容量、熱衝撃、並びに拡散によるクラック発生数及び信頼性に関する実験結果を示す。

表２から分かるように、内部電極４に添加される外部電極形成物質である銅の含量が２ｖｏｌ％未満の場合は、拡散によるクラック及び信頼性の改善効果がなく、銅含量が２０ｖｏｌ％を超える場合は、クラック発生や信頼性の問題は発生しなかったが、内部電極接続性の低下、すなわち接続切断現象により静電容量が低下する問題が発生した。

つまり、本発明の実施形態により内部電極４に外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％添加すると、拡散層の深さが１６μｍ以下の場合までクラック発生や信頼性の問題が発生しないことが分かる。

本発明は、前述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではない。本発明の技術的思想から外れない範囲内で本発明による構成要素の置換、変形、及び変更が可能であることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。

１キャパシタ本体
２外部電極
４内部電極
４ａ非拡散層
４ｂ拡散層
６誘電体層
１０保護層
２０有効層

Claims

内部電極形成物質を含む内部電極及び誘電体層が交互に積層されたキャパシタ本体と、
前記キャパシタ本体の外部表面に形成されて前記内部電極に電気的に接続され、外部電極形成物質を含む外部電極とを含み、
前記内部電極は、前記外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層、及び前記非拡散層の両側端部の少なくとも一方の端部に形成される、前記外部電極形成物質の拡散層を備えることを特徴とする積層セラミックキャパシタ。
前記非拡散層は、ニッケル又はニッケル合金及び前記外部電極形成物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックキャパシタ。
前記外部電極形成物質は、銅又は銅合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックキャパシタ。
前記拡散層は、ニッケル銅合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックキャパシタ。
前記誘電体層の積層数が５０〜１０００であることを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックキャパシタ。
内部電極形成物質を含む内部電極及び誘電体層を交互に積層してキャパシタ本体を形成する段階と、
前記キャパシタ本体の上面及び下面の少なくとも一面に誘電体形成物質を含む保護層を形成する段階と、
前記キャパシタ本体を加圧する段階と、
前記キャパシタ本体を焼成する段階とを含み、
前記内部電極は、前記外部電極形成物質を２〜２０ｖｏｌ％含む非拡散層、及び前記非拡散層の両側端部の少なくとも一方の端部に形成される、前記外部電極形成物質の拡散層を備えることを特徴とする積層セラミックキャパシタの製造方法。
前記非拡散層は、ニッケル又はニッケル合金及び前記外部電極形成物質からなることを特徴とする請求項６に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
前記外部電極形成物質は、銅又は銅合金からなることを特徴とする請求項６に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
前記拡散層は、ニッケル銅合金からなることを特徴とする請求項６に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
前記加圧段階と前記焼成段階との間に、個別単位を形成するように前記キャパシタ本体を切断する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。
前記誘電体層の積層数が５０〜１０００であることを特徴とする請求項６に記載の積層セラミックキャパシタの製造方法。