JP2018093165A - 積層セラミックコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を損なうことなく積層セラミックコンデンサを小型化可能な技術を提供する。【解決手段】積層セラミックコンデンサは、素体と、第１外部電極と、第２外部電極と、を具備する。素体は、第１及び第２端面と、第１端面に引き出された第１内部電極と、第２端面に引き出された第２内部電極と、第１及び第２内部電極が対向する容量形成部と、第１端面と第２内部電極との間に間隔を形成する第１エンドマージン部と、第２端面と第１内部電極との間に間隔を形成する第２エンドマージン部と、を有する。第１外部電極は、素体の第１端面に設けられている。第２外部電極は、素体の第２端面に設けられている。素体の寸法に対する第１及び第２エンドマージン部の合計寸法の割合をＲ（％）とし、容量形成部の断面の面積をＳ（ｍｍ２）とすると、Ｒ≧−４．４×ｌｎ（Ｓ）＋２．３の条件を満たす。【選択図】図５

Description

本発明は、積層セラミックコンデンサを小型化するための技術に関する。

従来から、積層セラミックコンデンサには小型化が要求されてきている（例えば、特許文献１，２参照）。近年では、電子機器の小型化及び高集積化に伴い、積層セラミックコンデンサには更なる小型化が要求されるようになってきている。積層セラミックコンデンサの長手方向の寸法は、例えば０．４ｍｍ以下にまで縮小することが望まれる。

特開２０１３−０８９９４４号公報 特開２０１５−１２８１７７号公報

積層セラミックコンデンサの小型化にあたり、積層セラミックコンデンサの各部分を一定の縮尺で縮小すると、一方の外部電極に接続された内部電極を他方の外部電極から隔てるエンドマージン部の寸法が小さくなる。これにより、例えばエンドマージン部に進入する水分の影響などによって、ショートが生じやすくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、信頼性を損なうことなく積層セラミックコンデンサを小型化可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層セラミックコンデンサは、素体と、第１外部電極と、第２外部電極と、を具備する。
上記素体は、一軸方向に相互に対向する第１及び第２端面と、上記第１端面に引き出された第１内部電極と、上記第２端面に引き出された第２内部電極と、上記第１及び第２内部電極が対向する容量形成部と、上記第１端面と上記第２内部電極との間に間隔を形成する第１エンドマージン部と、上記第２端面と上記第１内部電極との間に間隔を形成する第２エンドマージン部と、を有する。
上記第１外部電極は、上記素体の上記第１端面に設けられている。
上記第２外部電極は、上記素体の上記第２端面に設けられている。
上記積層セラミックコンデンサの上記一軸方向の寸法が０．４ｍｍ以下である。
上記素体の上記一軸方向の寸法に対する上記第１及び第２エンドマージン部の上記一軸方向の合計寸法の割合をＲ（％）とし、上記容量形成部の上記一軸方向に直交する断面の面積をＳ（ｍｍ^２）とすると、
Ｒ≧−４．４×ｌｎ（Ｓ）＋２．３
の条件を満たす。

この構成では、積層セラミックコンデンサを小型化しても、第１及び第２エンドマージン部の寸法が信頼性を損なうことのない程度に確保される。したがって、この積層セラミックコンデンサでは高い信頼性が得られる。

上記第１及び第２エンドマージン部の上記一軸方向の合計寸法が６８μｍ以下であってもよい。
この構成では、第１及び第２エンドマージン部の寸法を小さくすることにより、その分、容量形成部を大きくすることができる。これにより、積層セラミックコンデンサの容量を増大することができる。

上記第１及び第２内部電極に隣接する位置における上記第１及び第２外部電極のそれぞれの上記一軸方向の寸法が３μｍ以上であってもよい。
この構成では、第１及び第２外部電極の厚さが確保されるため、第１及び第２エンドマージン部への水分の進入を効果的に抑制することができる。

信頼性を損なうことなく積層セラミックコンデンサを小型化可能な技術を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサの斜視図である。 上記積層セラミックコンデンサのＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 上記積層セラミックコンデンサのＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。 上記積層セラミックコンデンサの素体の分解斜視図である。 エンドマージン部の比率の基準値を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。

［積層セラミックコンデンサ１０の全体構成］
図１〜３は、本発明の一実施形態に係る積層セラミックコンデンサ１０を示す図である。図１は、積層セラミックコンデンサ１０の斜視図である。図２は、積層セラミックコンデンサ１０の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図３は、積層セラミックコンデンサ１０の図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。

積層セラミックコンデンサ１０は、Ｘ軸方向の寸法が０．４ｍｍ以下の小型の形状を有する。積層セラミックコンデンサ１０では、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法を０．２ｍｍ以下とすることが好ましい。一例として、積層セラミックコンデンサ１０では、Ｘ軸方向の寸法を０．２５ｍｍとし、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法を０．１２５ｍｍとすることができる。

積層セラミックコンデンサ１０は、素体１１と、第１外部電極１４と、第２外部電極１５と、を具備する。外部電極１４，１５はそれぞれ素体１１を部分的に覆っている。

素体１１は、Ｘ軸方向を向いた２つの端面と、Ｙ軸方向を向いた２つの側面と、Ｚ軸方向を向いた２つの主面と、を含む６面体形状を有する。なお、素体１１は厳密に６面体形状でなくてもよく、例えば、素体１１の各面が曲面であってもよく、素体１１が全体として丸みを帯びた形状であってもよい。

外部電極１４，１５は、素体１１の両端面を覆い、両端面から側面及び主面に沿って延びている。外部電極１４，１５は、素体１１の側面及び主面においてＸ軸方向に相互に離間している。これにより、外部電極１４，１５のいずれにおいても、Ｘ−Ｚ平面に平行な断面及びＸ−Ｙ平面に平行な断面の形状がＵ字状となっている。

外部電極１４，１５はそれぞれ、電気の良導体により形成され、積層セラミックコンデンサ１０の端子として機能する。外部電極１４，１５を形成する電気の良導体としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを主成分とする金属や合金を用いることができる。

外部電極１４，１５は、特定の構成に限定されない。例えば、外部電極１４，１５は、単層構造であっても複層構造であってもよい。複層構造の外部電極１４，１５は、例えば、下地膜と表面膜との２層構造や、下地膜と中間膜と表面膜との３層構造として構成されていてもよい。

下地膜は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを主成分とする金属や合金の焼き付け膜とすることができる。
中間膜は、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などを主成分とする金属や合金のメッキ膜とすることができる。
表面膜は、例えば、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）などを主成分とする金属や合金のメッキ膜とすることができる。

素体１１は、容量形成部１６と、カバー部１７と、サイドマージン部１８と、第１エンドマージン部１９と、第２エンドマージン部２０と、を有する。容量形成部１６は、素体１１の中央部分に配置され、カバー部１７、サイドマージン部１８、及びエンドマージン部１９，２０によって覆われている。

カバー部１７は、容量形成部１６のＺ軸方向両側にそれぞれ配置されている。サイドマージン部１８は、容量形成部１６のＹ軸方向両側にそれぞれ配置されている。カバー部１７及びサイドマージン部１８は、主に、容量形成部１６を保護するとともに、容量形成部１６の周囲の絶縁性を確保する機能を有する。

エンドマージン部１９，２０は、容量形成部１６のＸ軸方向両側に配置されている。つまり、第１エンドマージン部１９は、容量形成部１６と第１外部電極１４との間に配置されている。第２エンドマージン部２０は、容量形成部１６と第２外部電極１５との間に配置されている。

素体１１には、複数の第１内部電極１２と、複数の第２内部電極１３と、が設けられている。内部電極１２，１３は、いずれもＸ−Ｙ平面に沿って延びるシート状であり、Ｚ軸方向に沿って交互に配置されている。内部電極１２，１３は、容量形成部１６において相互に対向し、カバー部１７及びサイドマージン部１８には配置されていない。

図４は、素体１１の分解斜視図である。素体１１は、図４に示すようなシートが積層された構造を有している。容量形成部１６、サイドマージン部１８、及びエンドマージン部１９，２０は、内部電極１２，１３が印刷されたシートで構成されている。カバー部１７は、内部電極１２，１３が印刷されていないシートで構成されている。

図２に示すように、第１内部電極１２は、第１エンドマージン部１９をＸ軸方向に貫通し、第１外部電極１４に接続されている。第２内部電極１３は、第２エンドマージン部２０をＸ軸方向に貫通し、第２外部電極１５に接続されている。これにより、内部電極１２，１３が外部電極１４，１５と導通している。

また、第１内部電極１２は、第２エンドマージン部２０に配置されておらず、第２エンドマージン部２０によって第２外部電極１５との間に間隔が形成されている。したがって、第１内部電極１２と第２外部電極１５とは、第２エンドマージン部２０を介して絶縁されている。

更に、第２内部電極１３は、第１エンドマージン部１９に配置されておらず、第１エンドマージン部１９によって第１外部電極１４との間に間隔が形成されている。したがって、第２内部電極１３と第１外部電極１４とは、第１エンドマージン部１９を介して絶縁されている。

内部電極１２，１３はそれぞれ、電気の良導体により形成され、積層セラミックコンデンサ１０の内部電極として機能する。内部電極１２，１３を形成する電気の良導体としては、例えばニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを主成分とする金属や合金が用いられる。

容量形成部１６及びエンドマージン部１９，２０は、誘電体セラミックスによって形成されている。積層セラミックコンデンサ１０では、内部電極１２，１３間の各誘電体セラミック層の容量を大きくするため、容量形成部１６及びエンドマージン部１９，２０を形成する材料として高誘電率の誘電体セラミックスが用いられる。

高誘電率の誘電体セラミックスとしては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）に代表される、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の材料が挙げられる。

また、容量形成部１６及びエンドマージン部１９，２０を構成する誘電体セラミックスは、チタン酸バリウム系以外にも、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）系、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）系、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ_３）系、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ_３）系、チタン酸ジルコン酸カルシウム（Ｃａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）系、ジルコン酸バリウム（ＢａＺｒＯ_３）系、酸化チタン（ＴｉＯ_２）系などであってもよい。

カバー部１７及びサイドマージン部１８も、誘電体セラミックスによって形成されている。カバー部１７及びサイドマージン部１８を形成する材料は、絶縁性セラミックスであればよいが、容量形成部１６と同様の組成系の材料を用いることより、製造効率が向上するとともに、素体１１における内部応力が抑制される。

上記の構成により、積層セラミックコンデンサ１０では、外部電極１４，１５の間に電圧が印加されると、容量形成部１６において内部電極１２，１３の間の複数の誘電体セラミック層に電圧が加わる。これにより、積層セラミックコンデンサ１０では、外部電極１４，１５の間の電圧に応じた電荷が蓄えられる。

なお、積層セラミックコンデンサ１０の構成は、特定の構成に限定されず、積層セラミックコンデンサ１０に求められるサイズや性能などに応じて、公知の構成を適宜採用可能である。例えば、各内部電極１２，１３の枚数や、内部電極１２，１３の間の誘電体セラミック層の厚さは、適宜決定可能である。

［積層セラミックコンデンサ１０の詳細構成］
積層セラミックコンデンサ１０では、小型化によって容量形成部１６が小さくなるため、必然的に大容量が得られにくくなる。このため、容量を確保するために、容量形成部１６を少しでも大きくすることが好ましい。この点、エンドマージン部１９，２０のＸ軸方向の寸法を小さくすることにより、容量形成部１６を大きくすることができる。

この一方で、積層セラミックコンデンサ１０では、エンドマージン部１９，２０のＸ軸方向の寸法が小さいほど、第１外部電極１４と第２内部電極１３とが近接し、第２外部電極１５と第１内部電極１２とが近接する。このため、エンドマージン部１９，２０のＸ軸方向の寸法が小さすぎると、例えばエンドマージン部１９，２０に進入する水分の影響などにより、絶縁抵抗の低下が生じやすくなる。

また、内部電極１２，１３の一方しか配置されていないエンドマージン部１９，２０では、内部電極１２，１３の両方が配置された容量形成部１６よりも密度が低くなりやすい。このため、エンドマージン部１９，２０のＸ軸方向の寸法が小さすぎると、エンドマージン部１９，２０において各層の密着が不十分となり、各層が剥離するデラミネーションが発生しやすい。

エンドマージン部１９，２０にデラミネーションが発生すると、各層間の隙間を介して水分が進入しやすくなるため、絶縁抵抗の低下が生じやすくなる。また、積層セラミックコンデンサ１０の製造過程において、外部電極１４，１５を形成する際のメッキ液がエンドマージン部１９，２０に侵入することにより、信頼性が低下しやすくなる。

図２には、第１エンドマージン部１９のＸ軸方向の寸法Ｌ_１と、第２エンドマージン部２０のＸ軸方向の寸法Ｌ_２と、が示されている。積層セラミックコンデンサ１０では、エンドマージン部１９，２０の合計寸法（Ｌ_１＋Ｌ_２）が６８μｍ以下である場合に、特に信頼性を確保することが難しくなる。

積層セラミックコンデンサ１０は、エンドマージン部１９，２０の寸法が小さく、特にエンドマージン部１９，２０の合計寸法（Ｌ_１＋Ｌ_２）が６８μｍ以下であっても、信頼性が損なわれにくい構成となっている。なお、エンドマージン部１９，２０の寸法Ｌ_１，Ｌ_２は、理想的には等しいことが好ましいが、寸法精度などに応じて相互に異なっていてもよい。

より詳細に、積層セラミックコンデンサ１０では、Ｘ軸方向における素体１１に対するエンドマージン部１９，２０の比率Ｒと、容量形成部１６のＹ−Ｚ平面に沿った断面の面積Ｓと、が特定の条件を満たすように構成することで、高い信頼性が得られる。以下、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒと容量形成部１６の面積Ｓとについて説明する。

図２には、素体１１のＸ軸方向の寸法Ｌ_３が示されている。Ｘ軸方向における素体１１に対するエンドマージン部１９，２０の比率Ｒは、エンドマージン部１９，２０の合計寸法（Ｌ_１＋Ｌ_２）と、素体１１の寸法Ｌ_３と、を用いて、以下の式（１）で表される。
Ｒ（％）＝１００×（Ｌ_１＋Ｌ_２）／Ｌ_３ …（１）

また、図３には、容量形成部１６のＹ軸方向の寸法ＷとＺ軸方向の寸法Ｔとが示されている。容量形成部１６のＹ−Ｚ平面に沿った断面の面積Ｓは、容量形成部１６の寸法Ｗ，Ｔを用いて、以下の式（２）で表される。
Ｓ（ｍｍ^２）＝Ｗ（ｍｍ）×Ｔ（ｍｍ） …（２）

ここで、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒが大きいほど、エンドマージン部１９，２０における水分の侵入経路が長くなり、なおかつデラミネーションが発生しにくくなる。したがって、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒが大きいほど、エンドマージン部１９，２０に侵入する水分の影響による絶縁抵抗の低下が生じにくくなる。

この一方で、Ｘ軸方向の寸法が０．４ｍｍ以下の小型の積層セラミックコンデンサ１０では、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒを維持したまま更に小型化しようとすると、耐湿性が低下する傾向が見られている。これは、エンドマージン部１９，２０の絶対的な寸法Ｌ_１＋Ｌ_２が小さくなりすぎるためであると考えられる。

したがって、このような小型の積層セラミックコンデンサ１０では、更なる小型化に伴って、耐湿性を確保するために必要なエンドマージン部１９，２０の比率Ｒが変化する。具体的に、本発明では、耐湿性を確保するために必要なエンドマージン部１９，２０の比率Ｒが、容量形成部１６の断面の面積Ｓに応じて変化することを見出している。

図５は、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒと、容量形成部１６の断面の面積Ｓと、の関係を示すグラフである。図５では、縦軸にエンドマージン部１９，２０の比率Ｒを示し、横軸に容量形成部１６の断面の面積Ｓを示している。図５に示された直線は、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒの基準値を示している。

つまり、図５に示す直線によって、容量形成部１６の断面の面積Ｓに応じたエンドマージン部１９，２０の比率Ｒの基準値が決定する。エンドマージン部１９，２０の比率Ｒがこの基準値以上である場合に、つまり図５に示す直線の上側領域及び直線上において、積層セラミックコンデンサ１０の信頼性が確保されることが実験的に確認されている。

図５に示す直線は、以下の式（３）で表される。
Ｒ＝−４．４×ｌｎ（Ｓ）＋２．３ …（３）
したがって、積層セラミックコンデンサ１０において信頼性が確保される条件は以下の式（４）で表される。
Ｒ≧−４．４×ｌｎ（Ｓ）＋２．３ …（４）

なお、エンドマージン部１９，２０のみならず、外部電極１４，１５を薄く形成することによっても、容量形成部１６を大きくすることができる。この一方で、外部電極１４，１５が薄すぎると、エンドマージン部１９，２０に水分が侵入しやすくなる。

このため、外部電極１４，１５もある程度の厚さが確保されていることが好ましい。具体的に、内部電極１２，１３に隣接する位置における外部電極１４，１５のそれぞれのＸ軸方向の寸法を３μｍ以上とすることにより、エンドマージン部１９，２０に侵入する水分の影響による絶縁抵抗の低下を効果的に抑制することができる。

［実施例］
以下、積層セラミックコンデンサ１０の信頼性を評価するために行った実験の一例について説明する。

まず、様々なサイズの積層セラミックコンデンサ１０を作製した。ここでは、積層セラミックコンデンサ１０を、Ｘ軸方向の寸法が０．２５ｍｍで、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法が０．１２５ｍｍである第１サイズとした例と、Ｘ軸方向の寸法が０．４ｍｍで、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法が０．２ｍｍである第２サイズとした例について説明する。

第１サイズの積層セラミックコンデンサ１０における容量形成部１６の断面の面積Ｓは０．００３７４５ｍｍ^２であった。第２サイズの積層セラミックコンデンサ１０における容量形成部１６の断面の面積Ｓは０．０１２８６ｍｍ^２であった。各サイズについてエンドマージン部１９，２０の比率Ｒが異なる５通りのサンプル１〜１０を作製した。

積層セラミックコンデンサ１０の各サンプル１〜１０について、耐湿負荷試験及びデラミネーション観察によって信頼性の評価を行った。

耐湿負荷試験は、各１０００個のサンプル１〜１０について、温度４０℃、湿度９５％、６．３Ｖの電圧を印加した状態で５００時間保持することにより行った。各サンプルについて電気抵抗値を測定し、電気抵抗値が５０ＭΩ以上のサンプルを良品と判定し、電気抵抗値が５０ＭΩ未満のサンプルを不良品と判断した。

デラミネーション観察では、各サンプルをＹ−Ｚ平面に平行に研磨して、内部電極１２，１３の積層状態が見える断面を露出させた。各サンプルの断面を観察することにより、各サンプルのエンドマージン部１９，２０において各層が剥離するデラミネーションが存在するか否かを判定した。

表１は、サンプル１〜１０における信頼性の評価結果を示している。なお、耐湿負荷試験については、１０００個のサンプル中、不良品と判定されたサンプルの個数を示している。また、デラミネーション観察については、１０００個のサンプル中、デラミネーションが発見されたサンプルの個数を示している。

なお、表１には、各サンプルの容量形成部１６の断面の面積Ｓから上記式（３）（図５に示す直線）を用いて導出されるエンドマージン部１９，２０の比率Ｒの基準値が示されている。つまり、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒがこの基準値よりも大きいサンプルでは、上記式（４）の条件を満たしている。

表１に示すように、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒが基準値以上であるサンプル３，４，５，８，９、１０ではいずれも、耐湿負荷試験において全サンプルが良品と判定され、デラミネーション観察において全サンプルについてデラミネーションが発見されなかった。

この一方で、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒが基準値未満であるサンプル１，２，６，７ではいずれも、耐湿負荷試験において不良品と判定されたサンプルと、デラミネーション観察においてデラミネーションが発見されたサンプルと、の少なくとも一方が存在していた。

この結果から、エンドマージン部１９，２０の比率Ｒを基準値以上とすることにより、積層セラミックコンデンサ１０の信頼性をより確実に確保することができることが確認された。したがって、上記式（４）の条件を満たすように積層セラミックコンデンサ１０の小型化設計を行うことにより、信頼性を損なうことなく小型化が実現可能である。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

１０…積層セラミックコンデンサ
１１…素体
１２，１３…内部電極
１４，１５…外部電極
１６…容量形成部
１７…カバー部
１８…サイドマージン部
１９…第１エンドマージン部
２０…第２エンドマージン部

Claims (3)

1. 一軸方向に相互に対向する第１及び第２端面と、前記第１端面に引き出された第１内部電極と、前記第２端面に引き出された第２内部電極と、前記第１及び第２内部電極が対向する容量形成部と、前記第１端面と前記第２内部電極との間に間隔を形成する第１エンドマージン部と、前記第２端面と前記第１内部電極との間に間隔を形成する第２エンドマージン部と、を有する素体と、
   前記素体の前記第１端面に設けられた第１外部電極と、
   前記素体の前記第２端面に設けられた第２外部電極と、
   を具備し、
   前記一軸方向の寸法が０．４ｍｍ以下であり、
   前記素体の前記一軸方向の寸法に対する前記第１及び第２エンドマージン部の前記一軸方向の合計寸法の割合をＲ（％）とし、前記容量形成部の前記一軸方向に直交する断面の面積をＳ（ｍｍ^２）とすると、
   Ｒ≧−４．４×ｌｎ（Ｓ）＋２．３
   の条件を満たす
   積層セラミックコンデンサ。
2. 請求項１に記載の積層セラミックコンデンサであって、
   前記第１及び第２エンドマージン部の前記一軸方向の合計寸法が６８μｍ以下である
   積層セラミックコンデンサ。
3. 請求項１又は２に記載の積層セラミックコンデンサであって、
   前記第１及び第２内部電極に隣接する位置における前記第１及び第２外部電極のそれぞれの前記一軸方向の寸法が３μｍ以上である
   積層セラミックコンデンサ。

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