JP2010109133A - セラミックス電子部品、及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス電子部品の耐衝撃性を向上する。
【解決手段】本発明のセラミックス電子部品８は、セラミックスからなる複数の誘電体層９を積層して形成された誘電体１０と、複数の誘電体層９間に形成された内部電極１１と、誘電体１０の外面に形成されると共に、内部電極に電気的に接続された外部電極１２と、外部電極１２の外面に形成されたメッキ層１３と、誘電体１０と外部電極１２との間に形成されて棒状粒子を含む第１の中間層１４とを備え、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離未満の端部領域１６には棒状粒子を含む第２の中間層１５が形成されると共に、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面からの所定距離以上の内部領域１７における棒状粒子を構成する元素濃度は、端部領域１６における棒状粒子を構成する元素濃度の３０％以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波用のセラミックス電子部品と、これを用いた電子機器に関するものである。

近年、携帯電話やワイヤレスＬＡＮなどで使用されるマイクロ波領域の電磁波を利用する通信技術の発展に伴い、セラミックス電子部品が、例えば、ノイズ除去フィルタとして高周波モジュールに搭載されている。図４に従来のセラミックス電子部品の断面模式図を示す。

図４において、従来のセラミックス電子部品１は、セラミックスからなる複数の誘電体層２を積層して形成された誘電体３と、複数の誘電体層２の間に形成された内部電極４と、誘電体３の外面に形成されると共に、内部電極４に電気的に接続された外部電極５と、外部電極５の外面に形成されたメッキ層６と、誘電体３と外部電極５との間に形成されて棒状粒子を含む中間層７とを備えた構造になっている。

従来のセラミックス電子部品１は中間層７により、誘電体３と外部電極５との密着強度を向上し、製造工程において外部電極５と誘電体３との界面にメッキ液が侵入することを防止していた。

さらに、内部電極４と誘電体層２との界面において、棒状粒子を含む中間層７を実質的に形成しないことにより、高周波特性の劣化を防止していた。

なお、この出願に関する先行技術文献としては、例えば、下記特許文献１、２が知られている。
特開平１０−３０３０５７号公報 特開２００７−２５０７２８号公報

しかし、このような従来のセラミックス電子部品１は、内部電極４と誘電体層２との界面において、棒状粒子を含む中間層７が実質的に形成されていないので、誘電体層２と内部電極４との密着強度は低かった。その結果、セラミックス電子部品の耐衝撃性が劣化するという問題があった。

そこで本発明は、セラミックス電子部品の耐衝撃性と高周波特性を両立することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のセラミックス電子部品８は、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離未満の端部領域１６には結晶相の棒状粒子を含む第２の中間層１５が形成されると共に、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体の外面から所定距離以上の内部領域１７における棒状粒子を構成する元素濃度は、端部領域１６における棒状粒子を構成する元素濃度の３０％以下であることを特徴とする。

本発明のセラミックス電子部品８は、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離未満の端部領域１６に結晶相の棒状粒子を含む第２の中間層１５を形成することにより、高周波特性の劣化を抑制しつつ、誘電体層９と内部電極１１との密着強度を向上させることができる。これにより、セラミックス電子部品８の高周波特性と耐衝撃性を両立させることができるのである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１のセラミックス電子部品８について、図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態１のセラミックス電子部品８の断面模式図である。セラミックス電子部品８は、セラミックスからなる複数の誘電体層９を積層して形成された誘電体１０と、複数の誘電体層９の間に形成された内部電極１１と、誘電体１０の外面に形成されると共に、内部電極１１に電気的に接続された外部電極１２と、外部電極１２の外面に形成されたメッキ層１３と、誘電体１０と外部電極１２との間に形成されて棒状粒子を含む第１の中間層１４とを備える。さらに、セラミックス電子部品８の内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離未満の端部領域１６には棒状粒子を含む第２の中間層１５が形成されると共に、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離以上の内部領域１７における棒状粒子を構成する元素濃度は、端部領域１６における棒状粒子を構成する元素濃度の３０％以下である構造になっている。

尚、このセラミックス電子部品８を搭載した電子機器は、外部電極１２に接続されて復調機能やデコード機能等を有する半導体集積回路(図示せず)と、この半導体集積回路に接続されたスピーカ又は液晶画面等の再生部(図示せず)を備える。

誘電体１０は、例えば、Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、及びＺｎＯ等が添加されたＳｉ−アルカリ土類金属−Ｌａ−Ｏ系のガラス成分にｘＢａＯ−ｙＮｄ₂Ｏ₃−ｚＴｉＯ₂−ｗＢｉＯ₃等のフィラーを含ませたガラスセラミックスであり、このガラスセラミックスは、１０００℃までの低温で焼結できる材質から成る。このガラスセラミックスは、低温で焼結が可能で、内部電極１１としてＡｇやＣｕ等の高周波特性の優れた金属を用いることができるという長所がある。また、ビアや配線パターン等の内部電極１１により、共振器、コンデンサ、インダクタ等の機能部品が誘電体１０の内部に三次元的に構成される。さらに、この機能部品は、外部電極１２により外部に接続される。この誘電体１０は、一般的に、均一な組成のものを用いるが、一部の層に他の層より誘電率の高いものや透磁率の大きいものを用いてもよい。

外部電極１２は、ＡｇもしくはＣｕを主成分とし、内部電極１１と電気的に接続されている。また、外部電極１２の半田喰われ(電極材の半田への溶出)を防止するために、外部電極１２の表面にメッキ層１３が形成される。

メッキ層１３は、例えば、外部電極１２の外面に半田喰われ防止の為に形成されたＮｉ層と、このＮｉ層の外面に半田濡れ性向上の為に形成されたＡｕ層、またはＳｎ層を有する。また、メッキ層１３は、Ｎｉ層とＡｕ層との間に界面の密着性を向上させるために形成されたＰｄ層を有しても良い。

第１の中間層１４は、例えば、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄やＺｎＳｉＯ₃等のＺｎ−Ｓｉ−Ｏ化合物の結晶相からなる棒状粒子を含むガラス層である。この棒状粒子は、セラミックス電子部品８の製造過程において、外部電極１２であるＡｇ等の金属によって、誘電体１０内のガラス成分の粘性が下がり、このガラス成分の一部が結晶化した後、結晶の成長しやすい方向に異方的に成長したものである。この棒状粒子はアスペクト比(長軸長／短軸長)が５以上１００以下である。このようなアスペクト比を持った棒状粒子は高靭帯性を持っており、その結果、誘電体層９と外部電極１２との密着強度を向上することができる。これにより、第１の中間層１４は、メッキ層１３形成工程において、外部電極１２と誘電体１０との界面にメッキ液が侵入することを抑制する。即ち、誘電体１０と外部電極１２との界面近傍では、外部電極１２と誘電体１０との焼成収縮挙動の違いや熱膨張係数の差異から生じる残留応力が内在するため、第１の中間層１４がなければ、誘電体１０と外部電極１２の界面近傍が選択的に侵食される。そこで、メッキ層１３の形成工程におけるメッキ液の侵入から生じる高周波特性の劣化を防止することができる。

さらに、第２の中間層１５について、図２を用いて詳述する。図２は、図１における波線で囲まれた領域１８の拡大図面である。第２の中間層１５は、第１の中間層１４と同様に、上記棒状粒子を含むガラス層である。この棒状粒子は、上記と同様に、セラミックス電子部品８の製造過程において、内部電極１１であるＡｇ等の金属によって、誘電体１０内のガラス成分の粘性が下がり、このガラス成分の一部が結晶化した後、結晶の成長しやすい方向に異方的に成長したものである。この棒状粒子は、上記と同様に、アスペクト比(長軸長／短軸長)が５以上１００以下である。このようなアスペクト比を持った棒状粒子は高靭帯性を持っており、その結果、誘電体層９と外部電極１２との密着強度を向上することができる。第２の中間層１５は、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離未満の端部領域１６に形成され、アスペクト比を持った棒状粒子は高靭帯性を持っており、その結果、誘電体層９と内部電極１１との密着強度を向上することができ、耐衝撃性を高めることができる。

次に、内部電極１１と誘電体層９との界面において、内部領域１７と端部領域１６における棒状粒子を構成する元素濃度について、（表１）を用いて詳述する。ここで、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザの点分析によって、Ｚｎ元素分析を行った。そして、内部領域１７における棒状粒子を構成する元素濃度を、内部領域１７である内部電極１１と誘電体層９の界面から２μｍ以内の誘電体層９のＺｎ元素濃度（Ａ）から上記界面から２μｍ以上である誘電体層９のバルク領域（１９）のＺｎ元素濃度（Ｃ）を引いた数値とした。また、端部領域１６における棒状粒子を構成する元素濃度を、端部領域１６である内部電極１１と誘電体層９の界面から２μｍ以内の領域２０における誘電体層９のＺｎ元素濃度（Ｂ）から上記界面から２μｍ以上である誘電体層９のバルク領域１９のＺｎ元素濃度（Ｃ）を引いた数値とした。

ここで、端部領域１６の棒状粒子の元素濃度に対する内部領域１７の棒状粒子の元素濃度比と、セラミックス電子部品８からなるフィルタの損失の最小値（以下、トップロスと記す）との関連を（表１）に示す。

（表１）に示す様に、内部領域１７の棒状粒子の元素濃度は、端部領域１６における棒状粒子の元素濃度の３０％以下であることが好ましい。これは、棒状粒子は、誘電体層９と比較してセラミックス電子部品８の誘電損失の増大を招き、内部電極１１と誘電体層９との界面に棒状粒子が形成されればされるほど、セラミックス電子部品８の電気特性が劣化するからである。

次に、内部電極１１と誘電体層９との界面の状態について、図３と（表２）を用いて詳述する。図３は、図１におけるＡＢ間の破線におけるセラミックス電子部品８の断面模式図である。図３において、外部電極１２、メッキ層１３、及び第１の中間層１４は省略している。

（表２）に、内部領域１７の面積（Ｓ１）に対する端部領域１６の面積（Ｓ２）の比の値（Ｓ２／Ｓ１）と、セラミックス電子部品８のトップロスの関連を示す。

（表２）に示すように、第２の中間層１５が形成される端部領域１６の面積（Ｓ２）が、内部領域１７の面積（Ｓ１）の１０％以内であればトップロスはほとんど変化せず、セラミックス電子部品８はフィルタとしての電気特性の劣化を抑制することができる。しかし、端部領域１６の面積（Ｓ２）が、内部領域１７の面積（Ｓ１）の１５％以上になればトップロスが大きくなる傾向を示し、セラミックス電子部品８はフィルタとしての電気特性の劣化を招く。また、第２の中間層１５が形成される端部領域１６の面積（Ｓ２）が、内部領域１７の面積（Ｓ１）の０．０１％以上の場合に、内部電極１１と誘電体層９間の密着強度を確保することができ、セラミックス電子部品８は耐衝撃性を得ることができる。以下、本実施の形態１のセラミックス電子部品８の製造工程について説明する。

第１成分(セラミックス)の合成について記述する。出発原料には化学的に高純度(９９重量％以上)であるＢａＣＯ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＢｉ₂Ｏ₃を用いた。原料の純度補正を行った後、組成をｘＢａＯ−ｙＮｄ₂Ｏ₃−ｚＴｉＯ₂−ｗＢｉ₂Ｏ₃（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１００、ｘ、ｙ、ｚ、ｗはそれぞれモル比である）で示した場合、１２≦ｘ≦１６、１２≦ｙ≦１６、６５≦ｚ≦６９、２≦ｗ≦５の組成範囲であることが好ましい。なお、ここでは希土類として、Ｎｄ₂Ｏ₃を使用したが、Ｎｄ以外の酸化物であるＬａ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃など、他の希土類酸化物を使用してもよい。またＮｄの一部を他の希土類元素で置換することも可能である。上記粉末と純水とを、ボールミル中で１８時間混合した。混合後、スラリーを乾燥し、アルミナ坩堝に入れ、１２００℃〜１４００℃の温度で２時間仮焼した。この仮焼粉を解砕した後、上記のボールミルで粉砕、乾燥させ、第１成分の粉末とした。

第２成分として用いるガラス粉末の合成について記述する。出発原料にはＳｉＯ₂、Ｈ₃ＢＯ₃、Ａｌ（ＯＨ）₃、ＭｇＯ、ＢａＣＯ₃、ＣａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＺｎＯ等の原料を用いた。原料の純度補正を行った後、所定の組成となるように称量した。これらの粉体をＶブレンダーにより混合した後、白金または白金ロジウム坩堝に入れ、１４００℃〜１６００℃の温度で溶融し、ツインローラーにより急冷を行い、ガラスカレットを作製した。得られたカレットをボールミルで８時間粉砕し、乾燥後、第２成分の粉末とした。合成した第２成分の組成はＳｉ−アルカリ土類金属−Ｌａ−Ｏ系のガラスであって、ＳｉＯ₂が３３〜４６重量％、ＢａＯが３０〜３７重量％、Ｌａ₂Ｏ₃が８〜１２重量％の組成であることが好ましい。なお、上記ＢａＯはＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ等であっても良い。また、上記以外にＡｌ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、ＺｎＯ等を含有していても良い。上記組成範囲にすることで、焼成中に結晶化し、第１の中間層１４と第２の中間層１５としてＢａＳｉ₂Ｏ₅やＢａ₂（Ｓｉ₄Ｏ₁₀)等の結晶相が析出することとし、焼成後の材料のＱ値が高くなる。Ｌａを含有していることで高温における粘性が低くなる。その結果、ガラスの流動性が増すため液相焼結が進みやすくなるという特徴を備えている。また、ここでは一例として上記ガラス組成系を示したが、これ以外のガラスであっても、類似する効果を示すものならば使用可能である。

なお、第１成分、第２成分の粉末を８０：２０の重量比になるように称量した後、さらにこの混合粉末に第３成分としてＺｎＯを混合粉１００に対して５重量部添加し、ボールミルで湿式混合・粉砕し、粉砕粉を作製した。このＺｎＯにおけるＺｎが、焼成後、棒状粒子を構成するＺｎとなる。なお、このＺｎＯを第２成分であるガラス中に添加することも可能である。そうすることにより、ガラス自身の軟化点を下げる事が可能となり、低温焼成化に寄与する。また、場合によっては第３成分の添加が不要となる。第１、第２成分を上記組成範囲にすることにより、比誘電率が高く、Ｑ値(誘電損失tanδの逆数)が大きく、周波数の温度特性ＴＣＦが０ｐｐｍ／℃に近く、かつ９００℃程度の温度で焼成可能なセラミックス組成物とすることが可能となる。

上記第１成分、第２成分及び第３成分よりなる粉砕粉に、ポリビニルブチラ−ルやアクリル樹脂等のバインダ及び可塑剤さらには有機溶剤を加えて混合・分散してセラミックススラリーとし、ドクターブレード法やダイコーティング法等によりＰＥＴフィルム等のベースフィルムの上に、上記セラミックススラリーを塗布することによってセラミックグリーンシートを作製した。上記セラミックグリーンシート上にＡｇまたはＣｕペーストを用いてスクリーン印刷により所望の内部電極１１を印刷し、これらを所望枚数積層し、熱圧着することによって、内層もしくは表層に内部電極１１もしくは外部電極１２のパターンを有するグリーンシート積層体を形成した。

この積層体を１０Ｖｏｌ％以下の酸素含有雰囲気において、９００℃〜９４０℃の温度で焼成することによって、焼成後の寸法が横２．５ｍｍ、縦２．０ｍｍ、厚み１ｍｍのセラミックス積層体を形成した。焼成の雰囲気については、Ｎ₂、Ａｒ、ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｈ₂等のガスにより調節する。なお、酸素濃度についてはジルコニアセンサなどでモニタを行った。

第２の中間層１５の作製方法について記述する。内部電極１１を形成した誘電体１０を大気雰囲気において、ガラスの軟化点近傍である７５０℃〜８００℃の温度で所定の時間処理することによって、内部電極１１と誘電体層９との界面において、誘電体１０の外面から所定距離の端部領域１６に棒状粒子を含む第２の中間層１５が形成される。従って、内部電極１１と誘電体層９との界面において、上記端部領域１６以外の内部領域１７の棒状粒子の元素濃度は、端部領域１６における棒状粒子の元素濃度の３０％以下であるセラミックス電子部品８を作製することが可能となる。

外部電極１２は、ＡｇもしくはＣｕを主成分とした低抵抗導体を用いて、導電ペーストの塗布・焼付けを行うことによって形成する。

メッキ層１３は、外部電極１２上に、順にＮｉ層、Ｓｎ層とからなる２層を形成する。

上記の製造工程により、本実施の形態１のセラミックス電子部品８が完成された。

本発明にかかるセラミックス電子部品は、誘電体層と内部電極の密着度を増強し、セラミックス電子部品の耐衝撃性を高めるという効果を有し、携帯電話等の電子機器において有用である。

本発明の一実施形態におけるセラミックス電子部品の断面模式図 本発明の一実施形態におけるセラミックス電子部品の内部電極近傍の拡大模式図 本発明の一実施形態におけるセラミックス電子部品の内部電極の上面模式図 従来のセラミックス電子部品の断面模式図

符号の説明

８ セラミックス電子部品
９ 誘電体層
１０ 誘電体
１１ 内部電極
１２ 外部電極
１３ メッキ層
１４ 第１の中間層
１５ 第２の中間層
１６ 端部領域
１７ 内部領域

Claims (5)

1. セラミックスからなる複数の誘電体層を積層して形成された誘電体と、
   前記複数の誘電体層間に形成された内部電極と、
   前記誘電体の外面に形成されると共に、前記内部電極に電気的に接続された外部電極と、
   前記外部電極の外面に形成されたメッキ層と、
   前記誘電体と前記外部電極との間に形成されて棒状粒子を含む第１の中間層とを備え、
   前記内部電極と前記誘電体層との界面において、前記誘電体の外面から所定距離未満の端部領域には棒状粒子を含む第２の中間層が形成されると共に、
   前記内部電極と前記誘電体層との界面において、前記誘電体の外面から所定距離以上の内部領域における棒状粒子を構成する元素濃度は、前記端部領域における棒状粒子を構成する元素濃度の３０％以下であるセラミックス電子部品。
2. 前記セラミックスはガラス成分を含む請求項１に記載のセラミックス電子部品。
3. 前記内部領域の面積（Ｓ１）と前記端部領域の面積（Ｓ２）との関係が
   （Ｓ２）／（Ｓ１）≦１／１０
   を満たす請求項１に記載のセラミックス電子部品。
4. 前記棒状粒子はＺｎ−Ｓｉ−Ｏ化合物の結晶相である請求項１に記載のセラミックス電子部品。
5. 請求項１に記載のセラミックス電子部品と、
   前記セラミックス電子部品に接続された半導体集積回路と、
   前記半導体集積回路に接続された再生部とを備えた電子機器。

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