説明

導電層付きセラミック体、および導電層付きセラミック体の製造方法。

【課題】 BaTiを主結晶相とするセラミック体に対する、導電層の接合強度が比較的高い、導電層付きセラミック体を提供する。
【解決手段】 セラミック体の表面に導電層が接合された、導電層付きセラミック体であって、前記セラミック体は、BaTiを主結晶相とし、前記導電層は、AgまたはCuを主成分とし、ガラス成分にSiおよびBiを含み、前記導電層と前記セラミック体との境界部分に、Biを主成分として含むとともに、TiおよびOを含有する接合領域が形成されていることを特徴とする導電層付きセラミック体を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、導電層付きセラミック体、および導電層付きセラミック体の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
コンデンサや共振器などに利用されるセラミック誘電体に、電極等の導電層を形成する方法が、例えば下記特許文献1等に提案されている。
【0003】
特許文献1では、BaTiOを主結晶相とするセラミック体の表面に、ガラスと金属材料とを混ぜたペーストを塗布して焼成し、AgまたはCuを主成分とする導電層(金属層)を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−151847号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1に記載されているような従来の方法では、導電層とセラミック体との接合強度は、比較的低い値しか得られていない。しかも、上記特許文献1に記載されているBaTiOは、ガラスとの反応性が高くペースト中のガラスと比較的結合し易いBaと、AgやCuと反応性が低く、セラミック体や導電層全体に拡散し易いTiとが、1:1の原子数比となっている。一方、BaTiは、Ba:Tiが1:4となっており、BaTiOを主結晶相とするセラミック体は、AgやCu等を主成分とする金属層との接合強度は比較的小さい。従来は、BaTiを主結晶相とするセラミック体に導電層を形成した場合、電極の剥がれ等の不良が比較的多く発生する虞があった。本願発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
かかる課題を解決するため、本願では、セラミック体の表面に導電層が接合された、導電層付きセラミック体であって、前記セラミック体は、BaTiを主結晶相とし、前記導電層は、AgまたはCuを主成分とし、ガラス成分にSiおよびBiを含み、前記導電層と前記セラミック体との境界部分に、Biを主成分として含むとともに、TiおよびOを含有する接合領域が形成されていることを特徴とする導電層付きセラミック体を提供する。
【0007】
また、少なくともBiを含むガラス粉末およびAgまたはCuのいずれかを主成分とする導電性粉末を混合してなるペーストを、BaTiを主結晶相とするセラミック体の表面に塗布する塗布工程と、前記ペーストを焼成して、前記セラミック体の表面に、AgまたはCuを主成分とし、ガラス成分にSiおよびBiを含む導電層を形成する焼成工程とを有し、平均粒径が3μm以下の前記導電性粉末を用いることを特徴とする導電層付きセラミック体の製造方法を、併せて提供する。
【発明の効果】
【0008】
BaTiを主結晶相とするセラミック体に対する、導電層の接合強度が比較的高い。比較的強い接合強度で接合された導電層を備えるセラミック体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】(a)は、本発明の導電層付きセラミック体の一実施形態である誘電体基板の概略斜視図、(b)は(a)に示す誘電体基板の一主面に垂直な方向に切断した断面を拡大して表す概略図である。
【図2】本発明の導電層付きセラミック体の一実施形態を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真(断面SEM写真)である。
【図3】(a)および(b)は、図2(a)に示す断面SEM写真を取得する際に測定した、当該断面におけるEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)による分析結果である。
【図4】(a)および(b)は、図2および図3に示す試料とは別の誘電体基板の断面を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真(断面SEM写真)である。(a)は、ペーストに混合する粉末として、平均粒径が5μmのAg粉末を用いた試料についての断面SEM写真であり、(b)は、ペーストに混合する粉末として、平均粒径が2μmのAg粉末を用いた断面SEM写真である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の導電層付きセラミック体、および導電層付きセラミック体の製造方法について詳細に説明する。
【0011】
図1(a)は、本発明の導電層付きセラミック体の一実施形態である誘電体基板10の概略斜視図、図1(b)は誘電体基板10の一主面に垂直な方向に切断した断面を拡大して表す概略図である。
【0012】
本実施形態の誘電体基板10は、例えばBaTiを主結晶相とするセラミック基板(セラミック体)12の表面に、Agを主成分とし、SiおよびBiをガラス成分に含んだ導電層14が形成されている。なお、図1(a)では、セラミック基板12の表面の所望領域に限定して、導電層14が被着されている。導電層14は、Ag等を主成分とする金属粒子が、ガラス成分を介して結合されるように形成されている。
【0013】
なお、本実施形態において、BaTiを主結晶相とするとは、セラミック体に含まれるチタン酸バリウム系の結晶相のうち、50%以上の結晶相がBaTi結晶であることをいう。また、Agを主成分とするとは、Agを50質量%以上の割合で含有することをいう。セラミック体に含まれる結晶相の種類、含有割合については、例えばX線回折装置、ICP発光分光分析装置を用いてセラミック体の断面を観察する公知の分析手法により、容易に同定・定量することができる。
【0014】
導電層14は、例えば、従来周知の厚膜ペースト法を用い、セラミック基板12の表面に被着させた状態に形成すればよい。具体的には、例えば、Agの粉末と、ガラス粉末とを所定量計量し、上記の各粉末とをミキサーで混合し、ペーストを作成する。ペーストにおけるAg粉末とガラス粉末との混合比率は、Ag粉末を例えば98質量%、ガラス粉末を例えば2.0質量%とする。作成したこのペーストを、スクリーン印刷などでセラミック表面のろう付けする箇所に塗布し、大気中で焼成して導電層14を形成すればよい。ガラス粉末は、例えばSiO粒子、Bi粒子、B粒子、ZnO粒子を含んでいる。
【0015】
誘電体基板10では、導電層14とセラミック基板12との境界部分に、Biを主成分として含むとともに、TiおよびOを含有する接合領域18が形成されている。Biを主成分として含むとは、広義には、公知のEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)解析によって計測されたピーク強度のうち、Biを表すスペ
クトルのピーク強度が、最も高いことをいう。
【0016】
BiやTi等の各元素の含有割合(質量%)は、例えば走査型電子顕微鏡装置を用いて行う、従来公知のEDS(エネルギー分散型X線分析法)によって求めることができる。例えば、EDAX社製PHOENIXを用い、加速電圧15kVで各原子に対応するスペクトルを求め、各原子に対応するスペクトル強度から算出することができる。本実施形態では、Biを50質量%以上含んでいる。
【0017】
本実施形態の誘電体基板10では、接合領域18に、TiおよびOが含有されており、接合領域18は、Bi、Ti、Oとが化合した化合物を主成分としている。
【0018】
従来のBaTiO誘電体に、ガラス成分を含む金属ペーストを用いて導電層を形成した場合、Baの含有割合が多いので、導電層内のガラス成分がセラミック体側に偏析し、このガラス成分がセラミック体のBaと結合することで、セラミック体に導電層が接合されている。TiはAg等と反応性が弱く、セラミック体や導電層の内部全体に拡散して、接合に殆ど寄与はしていなかった。
【0019】
本実施形態の誘電体基板10では、導電層14とセラミック基板12との接合部分に、導電層内からBiが、セラミック基板12からTiがそれぞれ集まって反応し、Bi、Ti、Oとが化合した化合物を主成分とする接合領域18を形成している。
【0020】
誘電体基板10では、導電層14とセラミック基板12とが、この接合領域18によって比較的強固に接合されている。
【0021】
本実施形態では、接合領域18中の気孔の開口率は40%以下となっている。接合領域13中の気孔とは、接合領域18を導電層14の側からセラミック基板12の側に貫通する孔であり、例えば走査型電子顕微鏡装置を用いて行う断面視において確認することができる。この接合領域18中の気孔率の開口率とは、断面視において、セラミック基板12に平行な方向に沿った10μmに渡る範囲のうち、この平行な方向に沿った気孔の大きさの合計長さ(μm)の割合(すなわち、合計長さ/10)の大きさをいう。上記開口率が40%以下とすることで、導電層14のセラミック基板12に対する接合強度を、比較的高くすることができる。
【0022】
また、誘電体基板10は、導電層14の内部に、Siを主成分として含むとともにBaを含有する第1部分16を有している。第1部分16は、導電層14を形成するためのペーストに含まれるガラス成分に、セラミック基板12のBaが含有された部分である。本実施形態では、この第1部分16には、ペーストに含まれるZnも含有されている。
【0023】
導電層14を厚さ方向に2分割した各領域のうち、セラミック基板12の表面に近い側の第1領域は、セラミック基板12の表面から遠い側の第2領域に比べて、厚さ方向に平行な平面による断面視における第1部分16の占有面積率が大きい。
【0024】
すなわち、第1部分16は、セラミック基板12の表面の側に偏析し、第1部分16の一部は、接合領域18やセラミック基板12の一部に接合している。本実施形態では、この第1部分16も、導電層14とセラミック基板12との接合に寄与しており、第1部分16がセラミック基板12の表面の側に偏析することで、比較的高い接合強度を実現している。この第1部分16は、例えば導電層14の断面を走査型電子顕微鏡で観察することで確認できる。例えば、この電子顕微鏡撮影層を画像処理することで、Agを主成分とした周辺の金属相の面積に対する第1部分16の面積の割合を、比較的容易に算出することもできる。
【0025】
例えば、図1(b)の断面図において、導電層14の最高点を通りセラミック基板12の主面に平行な直線L1とし、セラミック基板12の主面から導電層14の最高点までの50%の高さ位置を通るセラミック基板12の主面に平行な直線L2とすると、セラミック基板12の表面と直線L1とに挟まれた領域が第1領域S1、直線L1と直線L2とに挟まれた領域が第2領域S2に対応する。この断面における第1部分16の占有面積率が、第2領域に比べて第1領域が、より大きくなっている。
【0026】
また、誘電体基板10では、第2領域S2において、この第1部分16の占める面積は例えば20質量%未満となっている。第1部分16は、導電層14が形成される際、ガラス成分がセラミック基板12のBaと反応して形成された部分である。この第1部分16が形成されることで、SiやOは、この第1部分16に集中的に分布する。結果、本実施形態の誘電体基板10では、第2領域における第1部分16の面積占有率が、20質量%未満と比較的少なくなっている。
【0027】
SiおよびO、SiとOとの化合物であるSiO等は、導電層14とセラミック基板12との接合に寄与するが、例えばSiOが導電層14の表面に露出した場合、導電層14の表面の半田(例えば、SnAgCu系半田等)に対する濡れ性は、比較的大きく低減してしまう。本実施形態では、第1領域S1に第1部分16が形成され、ガラス成分が第1領域S1に集中している。このため、第2領域S2ひいては導電層14の表面に露出する第1部分16は、比較的小さくされている。
【0028】
また、Tiは比較的酸化し易い。誘電体基板において、導電層の表面にTiが露出していると、この露出部分からも内部に向けて酸化が進行し、導電層14が変質する虞もある。また、酸化が進行して導電層14とセラミック基板12との接合部分が酸化すると、導電層14とセラミック基板12との接合強度が低減してしまう。本実施形態の誘電体基板10は、セラミック基板12のTiが導電層14に拡散した場合も、セラミック基板12と導電層14との接合部分に形成された接合領域18内に偏析し、導電層14表面に露出するTi成分は比較的少なくなっている。このため、本実施形態の誘電体基板10では、導電層14の表面における酸化も比較的少なく、内部に向けた酸化の進行も抑制されている。
【0029】
本実施形態の誘電体基板10は、導電層14の厚さが40μm以上70μm以下と比較的大きいにも関わらず、セラミック基板12に対する導電層14の接合強度が400N/mm以上と比較的大きくなっている。
【0030】
本実施形態の誘電体基板10は、例えば以下に示す方法で作製すればよい。
【0031】
まず、例えばBaTiを主結晶相とするセラミック基板12を準備する。
【0032】
セラミック基板12は、例えば以下のように形成することができる。原料粉末として、純度99%以上のBaCO、TiOおよびZnO、純度98%以上のCuO粉末を準備し、これらを所定量秤量し、混合、粉砕し、得られた粉末を1000〜1150℃の温度で1時間以上保持して仮焼する。仮焼時の昇温速度は800℃以上の温度において平均50〜200℃/時間で昇温する。仮焼した粉末を粉砕粒径がメジアン径で0.5〜2.0μmに粉砕する。粉砕後の仮焼粉末にバインダーを添加しプレス成形やドクターブレード法等の公知の方法により所定形状に成形後、脱バインダー後のカーボン量が0.1重量%以下となるよう脱バインダーを行う。脱バインダー条件は400〜800℃で20時間以上保持する。脱バインダー後、大気中または酸素を含む雰囲気中において、昇温速度20〜300℃/時間で昇温し、1050〜1300℃で5〜30時間焼成する。例えば以
上のような工程を経て、セラミック基板12を作製することができる。
【0033】
このセラミック基板12を、平面研削加工機を用いた加工を経て表面を研磨する。この研磨工程では、セラミック基板12の、少なくともペーストを塗布する領域を含む表面を、算術平均表面粗さRaが0.4μm以上かつ1.5μm以下の範囲に研磨する。表面をこの範囲に研磨することで、導電体層の膜厚を比較的均一にしつつ、セラミック体に対する導電層の接合強度を比較的高くすることができる。
【0034】
この後、セラミック基板12の研磨部分導電層14を形成する。導電層14の形成(メタライズ処理)には、従来周知の厚膜ペースト法を利用することができる。
【0035】
このメタライズ処理では、例えば、Agの粉末とガラス粉末とを所定量計量し、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶解したビヒクルと上記粉体をミキサーで混合し、ペーストを作成する。Ag粉末とガラス粉末との混合比率は、Ag粉末を例えば98質量%、ガラス粉末を例えば2.0質量%とする。作成したこのペーストを、スクリーン印刷などでセラミック表面のろう付けする箇所に塗布し、大気中で焼成して導電層14を形成すればよい。ガラス粉末は、例えばSiO粒子、Bi粒子、B粒子、ZnO粒子を含んでいる。
【0036】
その後、大気雰囲気で焼成して、導電層14を形成する。より具体的には、焼成炉において、90分かけて室温から840℃までゆっくり昇温させた後、20分間840℃の温度を維持し、30分ほどの短い時間で室温まで降下させる。かかる焼成工程を経ることで、接合部分に接合領域18が形成された、セラミック基板12と導電層14とが接合された誘電体基板10を得ることができる。
【0037】
BiとTiとは、約900℃の温度で化合物を形成することが知られている。一方、例えば900℃以上の温度では、ガラス成分の気化が起こり始め気泡が発生するので、900℃以上の温度とすると接合強度は低下してしまう。このため、ペーストの焼成は、従来では、800〜850度の温度範囲で10分間程度の短い時間で実施していた。本実施形態では、840度程度の温度まで、充分に長い時間をかけてゆっくりと昇温させるので、ガラスペーストが十分に移動できる。ペースト内では、BiとTiのみでなく、BiとTiとO等を含む複数の元素が混合された状態となっており、BiとTiとを含む化合物が形成される条件温度は、900℃を下回っている。このため、900℃に近い840℃程度の温度範囲を、比較的長い時間だけ維持することで、BiとTiとOとを含む接合領域18が、セラミック基板12と導電層14との接合部分の、比較的広い領域にわたって形成される。
【0038】
なお、導電層14を形成する際にペーストに含有させるAg粉末の粒径は、3.0μm以下、好ましくは2.0μm以下であることが好ましい。Ag粉末の粒径を3.0μm以下とすることで、BiやOやSiの移動経路の密度が高くなり、BiやOやSiが、セラミック基板12の表面のより広い範囲に、高い密度で到達する。
【実施例】
【0039】
以下、本発明の実施例を示すとともに、本発明の効果の一例について説明しておく。
【0040】
まず、上記実施形態の誘電体基板の一例の断面を観察した結果を示しておく。図2は、上記工程を経て作製された誘電体基板の断面を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真(断面SEM写真)である。また、図3(a)および(b)は、図2(a)に示す断面SEM写真を取得する際に測定した、当該断面におけるEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)による分析結果である。走査型電子顕微鏡は、
例えば日立製S−800を用い、加速電圧15kVで撮影した。
【0041】
図3(a)は図2に示す点Aにおける各元素の特性X線の強度を示す図であり、図3(b)は図2に示す点Bにおける各元素の特性X線の強度を示す図である。図2に示す点Aは、上記実施形態における接合領域18に対応し、図2に示す点Bは、上記実施形態における第1部分16に対応している。図3(a)から分かるように、接合領域13に対応する図2の点A部分は、Biを主成分として含むとともに、TiおよびOを含有する。セラミック基板と導電層との境界部分に、BiとTiとの化合物が形成されていることがわかる。また、図3(b)から分かるように、第1部分16に対応する図2の点Bでは、Siを主成分として含むとともにBaを含有する。導電層14内のガラス成分によって、セラミック基板12と導電層14とが接合されていることがわかる。
【0042】
また、図4(a)および(b)は、図2および図3に示す試料とは別の誘電体基板の断面を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真(断面SEM写真)である。図4(a)は、ペーストに混合する粉末として、平均粒径が5μmのAg粉末を用いた試料についてのSEM写真であり、図4(b)は、ペーストに混合する粉末として、平均粒径が2μmのAg粉末を用いたSEM写真である。
【0043】
図4(a)に比較して、図4(b)の方は、セラミック基板12と導電層14との接合部分に形成された接合領域18の気孔の開口率が、より小さいことが確認できる。導電層14の形成用に用いるペーストに用いるAg粒子は、平均粒径は比較的小さいことが好ましく、例えば平均粒径3.0μm以下であることが好ましい。
また、図4(a)に示す試料と図4(b)に示す試料それぞれに対し、導電層14の接合強度を評価した結果、図4(a)に示す試料の接合強度は平均で約378N、図4(b)に示す試料では平均で約511Nであった。この接合強度の評価は、セラミック基板に形成した導電層の表面に、半田を介してCu製のピンを接合し、このピンを一軸方向に引っ張た際、Cuピンが剥がれる際の強度を計測した。各資料それぞれで10点計測した平均値を求めた。接合領域18の気孔の開口率は、セラミック基板12と導電層14との接合強度に関係しており、接合領域18の面積が大きい方が接合強度は高くなっている。
【符号の説明】
【0044】
10 誘電体基板
12 セラミック基板
14 導電層
16 第1部分
18 接合領域


【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック体の表面に導電層が接合された、導電層付きセラミック体であって、
前記セラミック体は、BaTiを主結晶相とし、
前記導電層は、AgまたはCuを主成分とし、SiおよびBiをガラス成分に含み、
前記導電層と前記セラミック体との境界部分に、Biを主成分として含むとともに、TiおよびOを含有する接合領域が形成されていることを特徴とする導電層付きセラミック体。
【請求項2】
前記導電層の内部に、Siを主成分として含むとともにBaを含有する第1部分を有しており、
前記導電層を厚さ方向に2分割した各領域のうち、前記セラミック体の表面に近い側の第1領域は、前記セラミック体の表面から遠い側の第2領域に比べて、厚さ方向に平行な平面による断面視における前記第1部分の占有面積率が大きいことを特徴とする請求項1記載の導電層付きセラミック体。
【請求項3】
前記導電層の前記第1部分および前記セラミック体に、Znが含まれていることを特徴とする請求項1または2記載の導電層付きセラミック体。
【請求項4】
前記導電層の厚さ方向に平行な平面による断面視において、前記接合領域中の気孔の開口率が40%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の導電層付きセラミック体。
【請求項5】
前記導電層の厚さが40μm以上70μm以下であり、前記セラミック体に対する前記導電層の接着強度が400N/mm以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の導電層付きセラミック体。
【請求項6】
少なくともBiを含むガラス粉末およびAgまたはCuのいずれかを主成分とする導電性粉末を混合してなるペーストを、BaTiを主結晶相とするセラミック体の表面に塗布する塗布工程と、
前記ペーストを焼成して、前記セラミック体の表面に、AgまたはCuを主成分とし、ガラス成分にSiおよびBiを含む導電層を形成する焼成工程とを有し、
平均粒径が3μm以下の前記導電性粉末を用いることを特徴とする導電層付きセラミック体の製造方法。
【請求項7】
前記塗布工程に先がけて、前記セラミック体の少なくとも前記ペーストを塗布する領域を含む表面を、算術平均表面粗さRaが0.4μm以上かつ1.5μm以下の範囲に研磨することを特徴とする請求項6記載の導電層付きセラミック体の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−33614(P2012−33614A)
【公開日】平成24年2月16日(2012.2.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−170569(P2010−170569)
【出願日】平成22年7月29日(2010.7.29)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】