(57)【要約】  【課題】  緻密でかつめっきが不要な外部電極表面を備えたセラミック電子部品およびその製造方法を提供することである。  【解決手段】  セラミック焼結体２と、このセラミック焼結体２の外表面に電極材料として金属粒子およびガラスフリットを含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成された外部電極７，８とを備え、外部電極表面層の金属粒子の平均粒径が３μｍ以下であり、かつ外部電極表面の特性Ｘ線分析によるガラスの分布面積割合が３〜１０％の範囲にあるセラミック電子部品１である。このセラミック電子部品１は、厚み８０μｍ以下のセラミック焼結体２を用意する工程と、セラミック焼結体２の外表面に平均粒径３μｍ以下の導電ペーストを塗布する工程と、前記導電ペーストを焼き付け、外部電極７，８を形成する工程とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック焼結体と、このセラミック焼結体の外表面に電極材料として金属粒子およびガラスフリットを含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成された外部電極とを備えるセラミック電子部品において、
前記外部電極表面層の金属粒子の平均粒径が３μｍ以下であり、かつ外部電極表面の特性Ｘ線分析によるガラスの分布面積割合が３〜１０％の範囲にあることを特徴とするセラミック電子部品。
【請求項２】
前記外部電極に、外部配線が半田接合されている請求項１記載のセラミック電子部品。
【請求項３】
請求項１または２記載のセラミック電子部品の製造方法であって、
厚み８０μｍ以下のセラミック焼結体を用意する工程と、
前記セラミック焼結体の外表面に平均粒径３μｍ以下の導電ペーストを塗布する工程と、
前記導電ペーストを焼き付け、外部電極を形成する工程とを備えることを特徴とするセラミック電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば積層セラミックコンデンサ、圧電アクチュエータなどのセラミック電子部品およびその製造方法に関し、より詳細には、導電ペーストの塗布・焼付けにより外部電極が形成されているセラミック電子部品およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、積層コンデンサ、圧電アクチュエータなどのセラミック電子部品に外部電極を形成する方法として、導電ペーストの塗布・焼付け法が多用されている。すなわち、金属粒子、ガラスフリット、有機バインダ樹脂、有機溶剤等を混練してなる導電ペーストを、セラミック焼結体の端面に塗布し、例えば５０ ℃／分程度の昇温速度で５００〜９００ ℃の温度まで昇温し、焼き付けることにより外部電極が形成されていた。
【０００３】
この場合、焼付けにより、有機バインダ樹脂及び溶剤等は飛散し、金属粒子が焼結される。すなわち、金属粒子同士が接触するように焼結され、かつガラスフリットが溶融し、金属粒子間の一部にガラスが存在している電極膜が形成される。
【０００４】
ところが、上記のようにして得られた外部電極では、ときとして表面にボイド（ポア）が生じ、水分が外部から侵入し易いという問題があった。そのため、外部電極表面にはんだ付け性を高めるためのＳｎめっき膜などを湿式めっき法により形成した場合、めっき液が内部に侵入することがあった。また、積層コンデンサの使用時に、高湿度環境の下では湿気が内部に侵入しがちであった。
【０００５】
そこで、導電ペーストに導電性樹脂を混練することにより、上述したボイドに起因する問題を解決する方法が特許文献１に開示されている。しかしながら、導電性樹脂を用いた場合、水分の侵入により導電性樹脂自体が劣化し、やはり、耐湿性が低下しがちであった。
【０００６】
上記問題の対策として、特許文献２には、導電ペーストの塗布・焼き付けにより形成された外部電極を有し、この外部電極表面のボイドが少なく、耐湿性が高められたセラミック電子部品およびその製造方法が開示されている。このセラミック電子部品によれば、外部電極表面の特性Ｘ線分析によるガラス分布面積割合が１０〜２０％の範囲であるため、外表面にＮｉめっき膜やＳｎめっき膜などのめっき膜を良好な状態で湿式めっき法により形成することができ、これによりはんだ付け性等が良好になるとされている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載のセラミック電子部品では、半田との接合強度を高めるという目的で、めっきを施さなければならないという問題があった。    
【特許文献１】特開平８−３７１２７ 号公報
【特許文献２】特開２０００−７７２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、導電ペーストの塗布・焼付けにより形成された外部電極を有するセラミック電子部品であって、緻密でかつめっきが不要な外部電極表面を備えたセラミック電子部品およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特許文献２に記載のセラミック電子部品では、ボイドの形成を抑制するためにガラス成分の含有量が多くしているが、これが原因で半田との接合強度が低くなり、めっきが必要になるという事実を明らかにした。一方で、ガラスの含有量を低減させると、外部電極表面がポーラスになってしまう。そこで、本発明者らは、さらに研究を重ね、ガラスの含有量を低減すると共に、金属粒子の平均粒径を所定の範囲にまで小さくすることにより、緻密な外部電極を形成することができ、しかもめっきを施さなくても半田との高い接合強度を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック焼結体と、このセラミック焼結体の外表面に電極材料として金属粒子およびガラスフリットを含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成された外部電極とを備え、前記外部電極表面層の金属粒子の平均粒径が３μｍ以下であり、かつ外部電極表面の特性Ｘ線分析によるガラスの分布面積割合が３〜１０％の範囲にあることを特徴とする。
【００１１】
本発明のセラミック電子部品において、前記外部電極に、外部配線が半田接合されているときには、外部電極と外部配線との高い接合信頼性を得ることができる。
【００１２】
本発明の前記セラミック電子部品の製造方法は、厚み８０μｍ以下のセラミック焼結体を用意する工程と、前記セラミック焼結体の外表面に平均粒径３μｍ以下の導電ペーストを塗布する工程と、前記導電ペーストを焼き付け、外部電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセラミック電子部品およびその製造方法によれば、ガラスの含有量を低減すると共に、金属粒子の平均粒径を所定の範囲にまで小さくすることにより、緻密な外部電極を形成することができ、しかもめっきを施さなくても半田との高い接合強度を得ることができる。これにより、セラミック電子部品の信頼性を向上させることができるとともに、製造工程の簡略化およびコストダウンを図ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
＜積層コンデンサ＞
図１は、本発明の一実施形態にかかるセラミック電子部品である積層コンデンサを示す断面図である。
【００１５】
積層コンデンサ１は、チタン酸バリウム系誘電体セラミックスよりなるセラミック焼結体２を有する。セラミック焼結体２は直方体状の形状を有し、内部には内部電極３〜６がセラミック層を介して厚み方向に重なり合うように配置されている。内部電極３，５は、端面２ａに引き出されている。内部電極４，６は、端面２ａと対向し合っている反対側の端面２ｂに引き出されている。
【００１６】
これらの端面２ａ，２ｂを覆うように、第１，第２の外部電極７，８がそれぞれ形成されている。外部電極７，８は、端面２ａ，２ｂを覆っているだけでなく、セラミック焼結体２の上面２ｃ及び下面２ｄ並びに図示されない一対の側面にも至るように形成されている。
【００１７】
第１，第２の外部電極７，８は、それぞれ、導電ペーストの塗布・焼付けにより形成されている。本実施形態では、外部電極７，８は、平均粒径３μｍ以下の金属粒子、ビスマスを主成分とするガラスフリット、有機バインダ樹脂、溶剤等を含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されている。この場合、導電ペーストの焼付けに際しては、５０℃〜１５０℃／分の昇温速度で昇温しつつ８００℃程度の温度に１〜１０分維持することにより行われる。なお、焼付けに際しての温度及び焼付け温度に維持する時間については、使用する金属粒子の種類によって適宜調整される。外部電極７，８の外表面には、従来のようなめっき膜は形成されていない。また、ビスマスを主成分とするガラスフリットを用いることで、セラミック焼結体２に対する外部電極７，８の密着力が向上する。
【００１８】
本発明の特徴は、外部電極７，８が、平均粒径３μｍ以下と粒径の小さい金属粒子を含む導電ペーストを用いて形成され、かつガラスの分布面積割合が３〜１０％の範囲とされていることにある。これにより、外部電極表面が緻密で、半田との接合強度が高められているので、めっきが不要となっている。
【００１９】
平均粒径が３μｍ以下の金属粒子を含む導電ペーストを用いた場合、外部電極７、８の緻密性が著しく高められる。すなわち、金属粒子間の隙間が小さくなり、それによって表面層の緻密性が高められる。
【００２０】
なお、表面層とは、外部電極７，８の表面近傍をいい、外表面から２０μｍ程度の厚みの層をいうものとする。加えて、昇温速度を高めると、焼付けに際して導電ペースト中のガラスフリットが溶融するが、溶融した後、ガラスがあまり移動しないうちに焼付けが終了することになる。
【００２１】
すなわち、本実施例では、昇温速度が速いため、上記のように溶融したガラスが移動するまでに、焼付けが終了するため、外部電極表面においてガラスが多く存在し、それによって外部電極表面のポアの生成を抑制することができる。
【００２２】
そのため、本発明では、外部電極７，８の外表面のガラス分布面積割合が３〜１０％、好ましくは４〜９％、より好ましくは５〜８％の範囲とされている。ガラスの分布面積割合が１０％を超えると、半田との接合強度が低下するおそれがある。一方、ガラスの分布面積割合が３％未満になると、外部電極表面に存在するガラスが少なくなり、金属粒子間にボイドが生成し、外部電極７，８の耐湿性が低下するおそれがある。なお、上記ガラス分布面積割合とは、特性Ｘ線分析により測定される値であり、具体的にはＸ線強度のマップデータのようにして測定される。
【００２３】
次に、積層コンデンサの製造方法について説明する。まず、周知の積層コンデンサの製造方法に従って、厚み８０μｍ以下のセラミック焼結体２を用意する。すなわち、チタン酸バリウム系誘電体などのセラミックスからなるセラミックグリーンシート上に、Ｐｄ粉末と、さらに有機バインダ樹脂及び溶剤を含む内部電極用導電ペーストを印刷する。この内部電極形成用導電ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、上下に無地のセラミックグリーンシートを積層し、得られた積層体を厚み方向に加圧し、積層体を得る。しかる後、積層体を焼成し、所定の寸法のセラミック焼結体２を得る。なお、セラミック焼結体２の厚みを８０μｍ以下にすることによって、凹凸の小さい電子基板を作製できる。
【００２４】
上記セラミック焼結体２の端面２ａ，２ｂに、種々の平均粒径のＡｇ粒子１００重量部に対し、ガラスフリット５重量部、有機バインダ樹脂及び溶剤を混合してなる導電ペーストを塗布し、後述の各条件で焼き付けることにより外部電極７，８を形成し、積層コンデンサを得る。
【００２５】
＜圧電アクチュエータ＞
図２は、本発明の他の実施形態にかかるセラミック電子部品である圧電アクチュエータを示す断面図である。この圧電アクチュエータ２１は、振動板１６上に、内部電極１２および圧電セラミック層１１がこの順に積層されたセラミック焼結体１８の外表面に、外部電極１７が複数形成されたものである。
【００２６】
振動板１６は、セラミック層から構成されている。内部電極１２は、圧電アクチュエータ２１の厚み方向に配設されたビア電極１９に電気的に接続されている。このビア電極１９の上端は、セラミック焼結体１８の表面に形成された端子電極２０に接続されている。
【００２７】
外部電極１７は、平均粒径３μｍ以下の金属粒子、ビスマスを主成分とするガラスフリット、有機バインダ樹脂、溶剤等を含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されている。本発明の特徴は、外部電極１７が、平均粒径３μｍ以下と粒径の小さい金属粒子を含む導電ペーストを用いて形成され、かつガラスの分布面積割合が３〜１０％の範囲とされていることにある。これにより、外部電極表面が緻密で、半田との接合強度が高められているので、めっきが不要となっている。
【００２８】
圧電アクチュエータ２１では、外部電極１７、該外部電極直下の圧電セラミック層１１および内部電極１２により複数の圧電変位素子が形成されており、外部電極１７と内部電極１２との間に電圧を印加することによって、圧電変位素子が撓み変形する。
【００２９】
セラミック焼結体１８の厚みは、特に限定されるものではないが、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。一方、厚みの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、１０μｍ、好ましくは１２μｍ、より好ましくは１５μｍ、さらに好ましくは２０μｍであるのがよい。
【００３０】
圧電セラミック層１１としては、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、例えばＢｉ層状化合物（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、Ｎｂ系ペロブスカイト型化合物（Ｎｂ酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどのＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ））、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質を例示できる。
【００３１】
上記のうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのがよい。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつＢサイト構成元素としてＺｒおよびＴｉを含有する結晶であるのがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電セラミック層が得られる。これら中でもチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。ペロブスカイト型結晶の一例として、ＰｂＺｒＴｉＯ3を好適に使用できる。
【００３２】
また、圧電性セラミックスには、他の酸化物を混合してもよく、さらに、特性に悪影響がない範囲であれば、副成分としてＡサイトおよび／またはＢサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、ＮｉおよびＴｅを添加したＰｂ（Ｚｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3およびＰｂ（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）Ｏ3の固溶体であってもよい。
【００３３】
内部電極１２の電極材料としては、導電性を有するものならばいずれでもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などを用いることができ、具体的には、例えばＡｇ−Ｐｄ合金を例示できる。内部電極１２の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。
【００３４】
外部電極１７の電極材料としては、導電性を有するものならば何れでもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などを用いることができる。外部電極１７の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜０．５μｍであるのがよい。ビア電極１９および端子電極２０としては、内部電極１２や外部電極１７と同様の材料を使用することができる。
【００３５】
振動板１６としては、絶縁性の高いものであればよいが、好ましくは圧電性セラミックスであるのがよく、より好ましくは圧電セラミック層１１と略同一の材料であるのがよい。これにより、振動板１６と圧電セラミック層１１とを同時焼成で作製する際において圧電アクチュエータ２１内の焼成収縮を均等にすることができるので、反り変形を抑制することができる。圧電セラミック層１１、振動板１６の厚みは、５〜３０μｍ程度、好ましくは５〜２０μｍ程度であるのがよい。
【００３６】
次に、圧電アクチュエータ２１の製造方法について説明する。
(a)  まず、前記した圧電性セラミックスの原料粉末を主成分とするグリーンシートを必要枚数作製する。
(b)  ついで、(a)で作製したグリーンシートのうち、一部のグリーンシートにビア電極１９を形成するための貫通孔を形成する。貫通孔が形成されたグリーンシートにスクリーン印刷によりビア電極１９となる導体を充填する。また、内部電極１２を形成するグリーンシートの略全面にはスクリーン印刷により内部電極パターンを形成する。
(c)  ついで、(a)および(b)で作製したグリーンシートを、図２に示す構成となるように積層して積層体を形成する。
(d)  さらに、この積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成してセラミック焼結体１８を形成する。
(e)  得られたセラミック焼結体１８の表面にスクリーン印刷により導電ペーストを印刷して所定の位置に外部電極パターンおよび端子電極パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。これにより圧電アクチュエータ２１を得ることができる。
【００３７】
次に、上記実施形態の圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドについて説明する。図３は、このインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。このインクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータ２１を、インク吐出孔３３を有する複数のインク流路３２が配列された流路部材３１上に、インク流路３２と外部電極１７との位置を揃えて取り付けたものである。
【００３８】
流路部材３１は圧延法等によって得られ、インク吐出孔３３およびインク流路３２はエッチングにより所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材３１は、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。
【００３９】
圧電アクチュエータ２１と流路部材３１とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ２１や流路部材３１への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜２５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ２１と流路部材３１とを加熱接合することができ、これによりインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
【００４０】
セラミック焼結体１８の表面に形成された外部電極１７は、それぞれ図示しない外部接続配線基板からの外部配線に、半田付けにより独立して接続されている。また、内部電極１２に接続された端子電極２０は、はんだ付けにより接続された外部配線を介してグランド電位に接続されている。そして、所定の外部電極１７と内部電極１２との間に電圧が印加されると、電圧が印加された外部電極１７直下の圧電セラミック層１１が変位してインク流路３２内のインクが加圧され、インク吐出孔３３よりインク滴が吐出される。
【００４１】
なお、上記実施例では、セラミック電子部品として積層コンデンサ１および圧電アクチュエータ２１を示したが、本発明は、積層バリスタなどの様々な積層セラミック電子部品の外表面に導電ペーストの塗布・焼付けにより外部電極を形成する方法に広く用いることができる。さらに、積層型セラミック電子部品に限らず、一対の内部電極が同じ高さ位置で対向されたセラミック焼結体を用いたセラミック・サーミスタや単にセラミック素体の外表面に塗布・焼付けにより外部電極を形成するセラミック電子部品にも適用することができる。
【００４２】
もっとも、内部電極を有する積層セラミック電子部品においては、セラミック焼結体の内部電極が引き出されている部分からの湿気の侵入等が問題となるため、本発明により耐湿性を効果的に高めることができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、セラミック層のみで振動板を形成した場合について説明したが、本発明では、複数のセラミック層の間に内部電極を配置して振動板を構成してもよい。
【実施例１】
【００４４】
圧電性セラミックス粉末として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用い、薄いグリーンシートを成形する時に一般的に用いられるロールコーター法にて、厚み１８μｍのグリーンシートを作製した。ついで、金型打ち抜きによってグリーンシートの所望の位置に１００μｍ径の貫通孔を形成した。その後、該グリーンシート上にＡｇ−Ｐｄ合金からなる導体ペーストをスクリーン印刷法にて形成した。そして、上記各グリーンシートを積層して密着させ、９５０℃〜１２００℃の範囲で焼成し、厚み８０μｍのセラミック焼結体を得た。その後、平均粒径１μｍのＡｕを含む電極ペーストを用いて外部電極を形成し、圧電アクチュエータを得た。
【００４５】
得られた圧電アクチュエータにおける外部電極表面のガラスの分布面積割合を特性Ｘ線分析により測定した。また、外部電極を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、ボイド（ポア）の有無を確認した。その結果、ガラスの分布面積割合は６％であり、ポアは発生していなかった。
【００４６】
［比較例１］
平均粒径５μｍのＡｕを含む電極ペーストを用いて外部電極を形成した他は、実施例と同様にして圧電アクチュエータを作製し、ガラスの分布面積割合とポアの有無を確認した。その結果、ガラスの分布面積割合は８％であり、ポアの発生が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のセラミック電子部品である積層コンデンサを示す断面図である。
【図２】本発明のセラミック電子部品である圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図３】図２の圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  積層コンデンサ
２  セラミック焼結体
３〜６  内部電極
７，８  外部電極
１１  圧電セラミック層
１２  内部電極
１６  振動板
１７  外部電極
１８  セラミック焼結体
１９  ビア電極
２０  端子電極
２１  圧電アクチュエータ
３１  流路部材
３２  インク流路
３３  インク吐出孔
【図１】
2005039179.tif 000003
【図２】
2005039179.tif 000004
【図３】
2005039179.tif 000005