(57)【要約】【課題】チタン酸バリウムを主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料において、低温で焼成可能な誘電体セラミックス材料を得る。【解決手段】ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を少なくとも前記主成分粉末に付与する。または、前記主成分と副成分と焼結助剤を混合し、ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を前記原料混合粉に付与する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸バリウムを主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料の製造方法であって、ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を少なくとも前記主成分粉末に付与する工程を有することを特徴とする誘電体セラミックス材料の製造方法。
【請求項２】
チタン酸バリウムを主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料の製造方法であって、前記主成分と副成分と焼結助剤を混合し、ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を前記原料混合粉に付与する工程を有することを特徴とする誘電体セラミックス材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の誘電体セラミックスの製造方法によって製造されたことを特徴とする誘電体セラミックス材料。
【請求項４】
複数の電極と、前記電極間に設けられ、請求項３記載の誘電体セラミックス材料の焼結体からなる誘電体層とを備えたことを特徴とするセラミックコンデンサ。
【請求項５】
前記電極は、ＮｉまたはＮｉ合金を含むことを特徴とする請求項４記載のセラミックコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体セラミックス材料及びその製造方法並びにセラミックコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）は、ＢａＴｉＯ３系のセラミック誘電体材料をシート状に成形し、グリーンシート上に内部電極層を印刷して積層する工程を繰り返し、さらに焼成することにより製造されている。
特許文献１には、機械的な力でメカノケミカル反応により主成分粉末の表面に副成分を付着、担持させる技術について記載されている。すなわち、チタン酸バリウム粉末と副成分をライカイ機で混合し、それを１２００℃で焼成することにより、副成分による主成分の粒界が均一になるセラミックスが得られ、誘電率の温度特性の安定性が向上し、バラツキが小さくなるものとされている。
【特許文献１】特開平１０−１５８０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、電子回路の小型化、高密度化にともない、セラミックコンデンサの小型化・大容量化が強く求められている。そして、セラミックコンデンサの小型化および大容量化のために、内部電極層と誘電体層の薄層化及び積層数の増加が試みられている。その内部電極の薄層化が進むと電極のカバー率（製造上目標とした面積を基準として、実際に電極が形成された面積の比率）が低下し、それにともない電気容量が低下するという問題が存在する。そのため、焼成温度を下げることが考えられるが、温度を下げると誘電体セラミックス材料が焼成できないという問題が起きる。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低温で焼成可能な誘電体セラミックス材料及びその製造方法、並びにこれを用いたセラミックコンデンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明は、チタン酸バリウムを主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料の製造方法であって、ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を少なくとも前記主成分粉末に付与する工程を有することを特徴とする誘電体セラミックス材料の製造方法である。
本発明の請求項２に係る発明は、チタン酸バリウムを主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料の製造方法であって、前記主成分と副成分と焼結助剤を混合し、ｒω２＝１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を前記原料混合粉に付与する工程を有することを特徴とする誘電体セラミックス材料の製造方法である。
【０００６】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の誘電体セラミックスの製造方法によって製造されたことを特徴とする誘電体セラミックス材料である。
本発明の請求項４に係る発明は、複数の電極と、前記電極間に設けられ、請求項３記載の誘電体セラミックス材料の焼結体からなる誘電体層とを備えたことを特徴とするセラミックコンデンサである。
本発明の請求項５に係る発明は、前記電極は、ＮｉまたはＮｉ合金を含むことを特徴とする請求項４記載のセラミックコンデンサである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の誘電体セラミックス材料の製造方法によれば、機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を粒子表面に付与するメカノケミカル摩砕処理を実施することにより、焼結が促進され、より低温で焼成が可能となる。さらに焼結後の平均粒子径が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）の断面構造を例示する模式断面図である。この積層セラミックコンデンサ１０は、対向する内部電極１２間に、前述の誘電体セラミックス材料の焼結体からなる誘電体層１１を備える。このような誘電体層１１は、誘電体セラミックス材料をシート状に成形したグリーンシートの片面に内部電極１２を形成し、これを複数枚積層して得られる積層体を焼成することで得られる。また、この積層体の側面には、内部電極１２の端部に接続された外部電極１３，１４が設けられている。
【００１０】
内部電極１２や外部電極１３，１４の材料としては、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属もしくはこれらの合金、インジウム−ガリウム（Ｉｎ−Ｇａ）、銀（Ａｇ）、銀−１０パラジウム（Ａｇ−１０Ｐｄ）合金等、または、カーボン、グラファイト、カーボンとグラファイトとの混合物等を用いることができる。
【００１１】
内部電極１２は、例えば上記の主たる材料からなる粉末に、有機バインダ、分散剤、有機溶剤、必要に応じて還元剤等を所定量加えた後に混練し、所定の粘度とした導電ペーストを、グリーンシートの片面に所定のパターンとなるように印刷し、還元雰囲気中で焼成することにより形成することができる。内部電極１２としては、比較的安価なニッケル（Ｎｉ）又はニッケル合金が望ましい。
【００１２】
また、外部電極１３，１４としては、低抵抗で安価であることから、銅（Ｃｕ）が望ましい。外部電極１３，１４は、内部電極１２及び誘電体層１１からなる積層体に対して、その外側面に塗布法などを用いて形成することができる。
【００１３】
本実施形態に係る誘電体セラミックス材料の製造方法は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を主成分として含む原料と副成分と焼結助剤を有する誘電体セラミックス材料を、遠心加速度（ｒω２）として１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を少なくとも主成分粉末に付与することにより得られる。主成分粉末の表面に、機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を付与するメカノケミカル摩砕処理を行うことにより、粉末の表面を活性化して焼結が促進される。これにより、低温で焼成してもＸ５Ｒ規格を満足する緻密化した焼結体を得ることができる。
【００１４】
また、本実施形態に係る誘電体セラミックス材料は、機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を付与するメカノケミカル摩砕処理を行う前に主成分と副成分と焼結助剤を混合しておき、遠心加速度（ｒω２）として１７０ｍ／ｓ２以上を与える機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を前記原料混合粉に付与することにより得られるのでもよい。これにより、焼成温度をより低温としてもＸ５Ｒ規格を満足する緻密化した焼結体を得ることができるようになる。この効果については、本発明の構成を特に限定するものではないが、例えば、副成分及び焼結助剤の存在下で主成分粉末の表面を活性化することにより、副成分及び焼結助剤が主成分粉末表面に皮膜され、粒成長が抑制されるものと考えられる。
【００１５】
機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を付与するメカノケミカル摩砕処理を行うときの処理時間は、せん断応力および圧縮力を十分に付与するため、０．５時間以上が好ましい。また、主成分粉末の表面活性化の観点では、処理時間に特に上限はないが、時間をかけると処理効率が悪くなるという観点から３時間以内が望ましく、したがって処理時間は０．５〜３時間が好ましい。
また、遠心加速度（ｒω２）は、１０００ｍ／ｓ２以上がより好ましく、２０００ｍ／ｓ２以上が更に好ましい。
【００１６】
主成分と副成分と焼結助剤との混合工程においては、粒子に付与される遠心力は、ｒω２として１７０ｍ／ｓ２未満でよく、例えばボールミル混練を用いることができる。あらかじめ、主成分と副成分と焼結助剤を良く混練して十分に分散させておいてから、機械的回転体の遠心力に基づくせん断応力および圧縮力を付与するメカノケミカル摩砕処理を行うことにより、焼結時における主成分粉末の粒成長が抑制され、より低温でＸ５Ｒ規格を満足する緻密化した焼結体を得ることができるようになる。
なお、主成分粉末だけでメカノケミカル摩砕処理を行う場合は、その処理後に副成分及び焼結助剤との混合処理を行うものとすることもできる。
【００１７】
本実施形態に係る誘電体セラミックス材料に用いられる副成分としては、バリウム（Ｂａ）の化合物、マンガン（Ｍｎ）の化合物、マグネシウム（Ｍｇ）の化合物、希土類元素（Ｒｅ）の化合物を含有することが好ましい。ここで希土類元素（Ｒｅ）としては、ジスプロシウム（Ｄｙ）、イットリウム（Ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、サマリウム（Ｓｍ）の少なくとも一種以上を含むことが好ましい。具体的な化合物としては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等の希土類元素（Ｒｅ）の酸化物、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）等が挙げられる。副成分の組成範囲は、主成分のチタン酸バリウムを１００モル部とするとき、バリウム（Ｂａ）の化合物は、Ｂａに換算して、Ｂａ＝０．５〜１．５モル部、マンガン（Ｍｎ）の化合物は、Ｍｎに換算して、Ｍｎ＝０．０２５〜１．０モル部、マグネシウム（Ｍｇ）の化合物は、Ｍｇに換算して、Ｍｇ＝０．５〜３．０モル部、希土類元素（Ｒｅ）の化合物は、Ｒｅに換算して（２種類以上の元素を含む場合はその合計）、Ｒｅ＝０．５〜３．０モル部が好ましい。
【００１８】
また、本実施形態に係る誘電体セラミックス材料に用いられる焼結助剤（例えばＳｉＯ２）としては、例えばガラス成分を用いることができる。このガラス成分としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）の化合物からなる第１成分と、ホウ素（Ｂ）の化合物（例えばＢ２Ｏ３）及びアルミニウム（Ａｌ）の化合物（例えばＡｌ２Ｏ３）の少なくともいずれかを含む第２成分と、バリウム（Ｂａ）の化合物（例えばＢａＣＯ３）、亜鉛（Ｚｎ）の化合物（ＺｎＯ）及びカルシウム（Ｃａ）の化合物（例えばＣａＣＯ３）のうち少なくとも１つを含む第３成分とを含むものが挙げられる。
焼結助剤の添加量は、主成分１００重量部に対して、０．２〜１．４重量部が好ましい。
【００１９】
ガラス成分は、下記のステップＳ１からＳ５にしたがって、ガラス粉末として製造することができる。
（ステップＳ１）各成分の化合物を調合し、乾式混合を行い、粉末を得る。または、各成分の化合物を調合し、湿式混合・粉砕を行い、スラリーとし、このスラリーを脱水乾燥して、粉末を得るようにしても良い。
（ステップＳ２）得られた粉末を、例えば（Ｐｔ−Ｒｈ）からなるルツボに入れ、大気中、１２００〜１７００℃で、１〜４時間溶融する。
（ステップＳ３）溶融により得られた溶湯を鋳型に流し込む。
（ステップＳ４）急冷してガラス化する。
（ステップＳ５）ガラスを粉砕してガラス粉末を得る。
【００２０】
本発明の実施形態に係る誘電体セラミックス材料は、メカノケミカル摩砕処理がなされた主成分、副成分及び焼結助剤を有する原料混合粉を、例えば還元性雰囲気で焼成することによって製造することができる。焼結温度は、１１００℃以下とすることが好ましい。
【００２１】
特に、焼結助剤として、シリコン（Ｓｉ）の化合物からなる第１成分と、ホウ素（Ｂ）の化合物及びアルミニウム（Ａｌ）の化合物の少なくともいずれかを含む第２成分と、バリウム（Ｂａ）の化合物、亜鉛（Ｚｎ）の化合物及びカルシウム（Ｃａ）の化合物のうち少なくとも１つを含む第３成分とを含み、所定の組成比のガラス成分を添加することで、１１００℃以下の低温で焼結する場合であっても焼結を促進させることができ、緻密で、かつ電気特性の悪化も抑制された誘電体セラミックス材料を得ることができる。さらに、低温での焼成により、製造コストの低減も図れる。
【００２２】
本実施形態に係る積層セラミックコンデンサは、焼成温度を下げて電極のカバー率が低下するのを抑制することができ、内部電極１２と誘電体層１１の薄層化及び積層数の増加を図ることが可能になる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００２４】
（実験方法）
組成が、主成分のチタン酸バリウム（１００モル部）＋Ｂａ（１．０モル部）＋Ｍｎ（０．２モル部）＋Ｍｇ（１．１モル部）＋Ｄｙ（０．９モル部）となるように秤量を行った。これに焼結助剤（組成は、Ｂａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ＋Ｂ＋Ａｌ＋Ｃａの合計を１とした各成分のモル比として、ＢａＯ：０．１３、ＺｎＯ：０．１０、ＳｉＯ２：０．２６、Ｂ２Ｏ３：０．３３、Ａｌ２Ｏ３：０．０５、ＣａＯ：０．１３）を、主成分１００重量部に対して焼結助剤１重量部の比率で加えた後、湿式によるボールミル混錬（内径：８０．２ｍｍ、回転数：８０ｍｉｎ−１）を行った。次に乾燥した。次に株式会社奈良機械製作所製メカノマイクロス（ベッセル内径：１０５ｍｍ、主軸回転数：２０００ｍｉｎ−１）に試料を投入し、摩砕によってせん断力及び圧縮力を与えた。できた粉末をグリーンシートにし、そのグリーンシートを１（ｃｍ）角に切り、厚みが１（ｍｍ）となるように積み重ねた。次に、それを１０００（ｋｇ／ｃｍ３）の圧力で成型した。次に、樹脂成分を焼却するため、３００℃で１０時間、大気中で焼成を行い、その後、表１から表４に示す焼成温度で、還元雰囲気中で２時間焼成した。この後、窒素ガス中で、１０００℃に安定させ２時間再酸化処理を行った。
【００２５】
（実施例１）
表１には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝２３００ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。
【００２６】
【表１】
2008162817.tif 000002
【００２７】
（実施例２）
表２には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝１２９４ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。
【００２８】
【表２】
2008162817.tif 000003
【００２９】
（実施例３）
表３には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝１７０ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。
【００３０】
【表３】
2008162817.tif 000004
【００３１】
（比較例１）
表４には、比較例として、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて７．５時間行い、しかしメカノケミカル処理をしない場合の結果を示す。
【００３２】
【表４】
2008162817.tif 000005
【００３３】
試料の密度（ｇ／ｃｍ３）は、アルキメデス法を用いて測定した。密度５．８ｇ／ｃｍ３以上で焼結したと判断する。
【００３４】
粒子径は、ＳＥＭの断面写真を撮影して粒子の長さを測定した。平均粒子径（Ｎ＝１００）は、１００個の粒子径の平均により算出した。
【００３５】
各種電気特性の測定は、上記評価試料の両端面にＩｎ−Ｇａを塗布してコンデンサ構造とした上で行った。
比誘電率εは、周波数１（ｋＨｚ）、電圧１．０（Ｖ）の条件で、ＬＣＲメーターを用いて静電容量を測定し、この測定によって得られた静電容量、誘電体層の厚さ、及び内部電極面積から算出した。
誘電損失ｔａｎδ（％）は、上記比誘電率と同一条件下で、ＬＣＲメーターを用いて測定した。
比抵抗（Ω・ｃｍ）は、２５℃の条件下で、直流２５０［Ｖ］の電圧を１分間印加し測定した。
【００３６】
図２は、焼成温度と焼結体の密度との関係を表すグラフである。また、図３は、焼成温度と焼結体の比誘電率との関係を表すグラフである。
【００３７】
実施例１では、表１に表すように、１０００℃で焼成が可能となった。また、実施例２では、表２に表すように、１０１０℃で焼成が可能となった。また、実施例３では、表３に表すように、１０２０℃で焼成が可能となった。比較例１では、表４に表すように、焼成には少なくとも１０２５℃が必要であった。
【００３８】
機械的回転体の摩砕によって、せん断力、圧縮力などの機械的エネルギーを粉末に付与することにより、粉末表面の結晶構造が変化し、メカノケミカルによる固相反応が促進したと考えられる。平均粒子径および最大粒子径は、比較例に比べ小さく、最小粒子径は大きくなった。これは、機械的回転体でせん断力、圧縮力を付与しながら混合することにより、よく分散され、主成分の周りに副成分および焼結助剤が皮膜されたことにより、粒成長が抑制されたと考えられる。
【００３９】
また、本発明者等は、誘電体層と電極とを積層した試料についての各種評価を行った。
【００４０】
誘電体層一層あたりの厚さは５μｍで、有効誘電体層は１０層とした。また、一層あたりの内部（対向）電極面積は、０．９１［ｍｍ２］とした。
誘電体層は、前述した評価試験と同様に、以下のようにして作製した。
主成分としてチタン酸バリウムを、副成分としてＢａＣＯ３、Ｄｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｍｎ３Ｏ４を、さらに、焼結助剤を含むスラリーをドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに塗布し、焼成後５μｍとなるグリーンシートを成型した。得られたグリーンシートに内部電極であるＮｉペーストを印刷により形成した。これらを１０層に積層し、熱圧着することにより積層体を得た。
【００４１】
次いで、この積層体を幅２．０ｍｍ、長さが３．８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍとなるように加工した。次にこれを大気中にて、３００℃で１０時間加熱して有機バインダ（樹脂成分）を焼却した。その後、Ｎ２、Ｈ２及びＨ２Ｏからなる混合ガスの還元雰囲気中で、後述の表５〜７に示す焼成温度で２時間焼成した。次に窒素ガス雰囲気中で、１０００℃に安定させ２時間再酸化処理を行った。その後、焼結させた積層体の外側面（対向する位置にある切断面）にＣｕからなる導電性ペーストを塗布し、Ｎ２ガス雰囲気中で６５０℃の温度で焼き付け、図１に示すように内部電極１２と電気的に接続された外部電極１３，１４を形成し、積層セラミックコンデンサ１０を作製した。
【００４２】
各評価試料において、主成分であるチタン酸バリウムにおける（Ｂａ／Ｔｉ）比は、０．９９８である。その主成分１００モル部に対して、Ｂａ元素の添加量は、Ｂａ化合物のＢａに換算して１．０モル部であり、Ｄｙ元素の添加量は、Ｄｙ化合物のＤｙに換算して０．９モル部であり、Ｍｇ元素の添加量は、Ｍｇ化合物のＭｇに換算して１．１モル部であり、Ｍｎ元素の添加量は、Ｍｎ化合物のＭｎに換算して０．２モル部である。
各サンプルの作製に用いた焼結助剤と、主成分に対する添加量（重量部）は、上記の（実験方法）と同様とした。
【００４３】
各種特性の測定方法で、比誘電率εは、周波数１（ｋＨｚ）、電圧１．０（Ｖ）の条件で、ＬＣＲメーターを用いて静電容量を測定し、この測定によって得られた静電容量、誘電体層の厚さ、及び内部電極面積から算出した。
誘電損失ｔａｎδ（％）は、比誘電率と同一条件下で、ＬＣＲメーターを用いて測定した。
容量変化率は、各積層セラミックコンデンサを恒温槽に入れ、−５５℃から８５℃の各温度において、周波数１（ｋＨｚ）、電圧１．０（Ｖ）の条件で、ＬＣＲメーターを用いて静電容量を測定した。
【００４４】
この結果を、表５〜７に示す。表５には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝２３００ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。表６には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝１２９４ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。表７には、ボールミル処理をｒω２＝２．８ｍ／ｓ２にて２時間行った後、メカノケミカル処理をｒω２＝１７０ｍ／ｓ２にて２時間行った場合の結果を示す。
【００４５】
【表５】
2008162817.tif 000006
【００４６】
【表６】
2008162817.tif 000007
【００４７】
【表７】
2008162817.tif 000008
【００４８】
表５〜７の結果より、前述した本実施形態に係る焼結助剤を用いて得られた積層体は、ＥＩＡ（Electronic Industries Association）のＸ５Ｒ規格（−５５℃から８５℃の容量変化率（２５℃基準）がプラスマイナス１５％以内）に適合することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る積層セラミックコンデンサの断面構造を例示する模式断面図である。
【図２】焼成温度と焼結体の密度との関係を表すグラフである。
【図３】焼成温度と焼結体の比誘電率との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１０…積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）、１１…誘電体層、１２…内部電極、１３，１４…外部電極。
【図１】
2008162817.tif 000009
【図２】
2008162817.tif 000010
【図３】
2008162817.tif 000011