素材物性学雑誌 第1
0
巻 第1号 7 0‑7 8( 1 997 )
論 文
Ni電極積層 セ ラ ミックコンデ ンサの容量 エー ジングに及 ぼす 結晶異方性 の影響
三 浦 純 子,川 野 直 樹,嵐 友 宏,
佐 藤 陽,中 野 幸 恵,佐 藤 茂 樹,
野 村 武 史
Ef f e c tofTe t r agonal i t yonTheCapac i t anc eAgi ngofMul t i l aye rCe r ami c Capac i t or swi t hNiI nt e r nalEl e c t r ode s
by
JunkoMI URA,NaokiKAWANO ,Tomohi r oARAS HI ,Aki r aSATO ,Yuki eNAKAh ‑
0,Shi ge kiSAでOandTake s hiNo MURA
Abos t r ac t
Ef f e c toft e t r agonal i t yont hec apac i t anc eagl ngunde rdcf i e l dhasbe e ns t ud‑
i e d.BaTi O3 ‑ bas e ddi e l e c t r i c swi t hX7 R c har ac t e r l S t i c sandY5 1 7c har ac t e r i s t i c s f ormul t i l aye rc e r ami cc apac l t Or S ( MLCCs )Wi t hNii nt e r nale l e c t r ode shav e be e nus e df ort hi ss t udy. Capac i t anc ec hanges t r ongl yde pe ndsongr ai n s i z e andt e mpe r at ur e. I ti ss uppor t e dt hatt he s ef ac t or sa f f e c tt e t r agonal i t y,and t hec hangeoft e t r agonal i t yc aus e svar i at i onofc apac i t anc ec hange. Ne w e qua‑
t i onf orc apac i t anc eagl ngl Spr opos e dc ons i de r i ngt hee f f e c tofpar t i c l e1 7 01 ume
,t e mpe r at ur e,dce l e c t r i cf i e l dandt e t r agonal i t y. Ef f e c tofi nt e r nals t r e s sof MLCCsi sal s odi s c us s e d, Capac i t anc ec hangei sal s o a f unc t i on ofi nt e r nal s t r e s s.
Ke yWol ・ de:Capac i t anc eagl ng,Re l axat i on,Te t r agonal i t y,I nt e r nals t r e s s,Ni ‑ e l e c t r odeMLCCs ,BaTi O 3
1. 緒 言
電子部品に対す る小型化,高性能化の要求が高 ま る のに伴い,積層セラ ミックコンデ ンサにおいて も,多
平成
9
年3
月1 0
日受付TDK(
秩) 基礎材料研究所〒2 8 6
成 田市南羽鳥松 ケ下57 0 ‑2
Ma t e r i a l sRe s e a c hCe n t e r ,TDKCo r p o r a t l
On ,57 0‑2
Ma t s u g a s h l t aMl n a mi ‑ h a t
or l ,Na r i t a 2 8 6 J a p a n
7 0
層化,薄層化が急速 に進め られている。 また, コス ト ダウンのために内部電極を従来 の
Pd
か らN
lに変 え たものが実用化 されてお り,近年,急速 に需要が伸 び ている。Ni
を内部電極 とした場合,電極 が酸化 しな いよう,低酸素分圧 あるいは還元性の雰囲気中で焼成 が行われる。 これまで,誘電体の耐還元性 あるいは再 硬化性 に関 して, また,耐還元性付 与のためのア クセ プタ ドーピングと絶縁抵抗の加速寿命の関係 について 研究が行われて きた1 1
2)。 その結果,Pd
電極 品 と同結晶異方性の影響 等以上の加速寿命を有す るNi電極積層 コンデ ンサが
報告 されている。しか しなが ら、特 に温度特性が
Ⅹ7 R ( B)規格の材料の場合,Ni
電極,Pd電極 を問わず強 誘電体 に不可避の容量の経時変化 の問題が指摘 されて きた。 この ことが高容量化のための誘電体層の薄層化 の障害 となって きた。Ni電極積層 セ ラ ミックコ ンデ ンサの信頼性をさらに向上 させ るためには,エージ ン グ現象の深 い理解が必要 とされて きたO容量 エージ ン グに影響を及 ぼす因子 としては,結晶の異方性,格子 欠陥,空間電荷, ドメイ ン構造,内部バイアス電界等 が報告 されて きたが,その機構 については明快 な孝吉論 は未だ得 られていない。著者 らは,無電界下の容量 エージングは
Ri c ht e r
型 緩和曲線で表す ことがで きること,また,電界下 の容 量 エージングは,Ric ht e r
型緩和曲線を改良 した新 モ デルにより,良 く説明 され ることを報告 している13 1
4)
。 本研究では,強誘電体のエージングに関す る研究 の一 環 として,
Ⅹ7R特性を有す るチ タ ン酸 バ リウム系誘 電体材料 について,RIC ht e r
モデルあるいは新 モデル を用 いて容量 エージングの解析を行 った。特 に結晶異 方性の観点か ら容量 エ‑ジングの挙動 について検討 したので,その結果を報告す る。
2 .
実験方法実験試料 の組成 は、B(
Ⅹ7 R)
特性を満たす、BaTiO。 ‑ MgO‑ MnO‑ Y2 0。 ‑ V2 05 1 Ba。 6 Cao 。 Si O3
系 (試料A)
, 及びF ( Y5 V)特性を満たす,Ba ( Ti ,Zr )03 1 Si O2 ‑ MnOI Y2 03 ‑ 1 7 2 03 ‑ WO3
系 (試料B)
と した。 試料 A 及 びBの組織写真を Fi g.1
に示す。試料 A は,結 晶 粒が コア部 と拡散相か らなるセラ ミックスである。誘 電体材料の主組成であるBaTi03
は水熱合成粉を使用Sa弼P皇e挽き
S 冶 m
tか,̀B主壬
す弟
を 宅 f 7 3 a j e 皇 e ∈ 翫a e S 呈 t j
血Fi g.1 Cr os ss e c t i onors ampl e A andB.
した。MnO,Y2
0。 ,Si 02
等のその他 の成分 は特級試 薬 の酸化物あるいは炭酸塩を出発原料 とした。 これ ら の材料を所定の組成 になるように調合 し,ボール ミル にて,湿式 (水)で2 0
時間混合 した。混合物 を乾燥 後,アク リル系 バイ ンダー溶液を加え,ボール ミルで2 0
時間混合 して,誘電体 スラ リーを得た。得 られた ス ラ リーか ら,いわゆる ドクターブレー ド法で誘電体 シー トを作製 し,Ni
電極 ペース トを印刷 した後,積層圧 着,切断 してグ リーンチ ップを得た。得 られたグ リー ンチ ップを空気中で3 0 0
℃ にて2
時間加熱 してバ イ ン ダーを除去 した後,還元雰 囲気 中で1 2 0 0‑1 3 0 0
℃ の 所定の温度で焼成 した。焼成雰囲気 はN2 ‑ H2 0混合
ガスを加湿 して,H20‑H2 + 1 /2 02
の平衡反応 を利 用 して,10 8 ‑ 1 01 3Mpa
の所定の酸素分圧 に制御 した。焼成後のチ ップはサ ン ドブラスタ一にて両端面を研磨 した後,I
nGa
合金を塗布 し,端部竃極 と した。試料 の微細構造 につ いて は,走査型電子顕微 鏡( SEM)
及び透過型電子顕微鏡( でEM)で観察 した。結 晶構
造 に関 しては,
Ⅹ 線 回折 によ り調 べ た。試料 の残留 内部応力 は, ビッカース硬度試験機を用 いて見積 もっ た。容量 エー ジ ングを調 べ るにあた り, まず試料 を1 5 0
℃ で1
時間熱処理 した後 に室温 で容量 を測定 し,これを初期値 とした。4
0‑1 0 0
℃ の所定 の温度 で所定 時間,直流電界を印加 した後 に電界を除去 し,室温 で 静電容量を測定 して容量の経時変 化 を調 べ た。 なお, 無負荷 における容量 エージングは室温で所定時間放置した後,容量を測定 して経時変化を求 めた。
3 .
結果及 び考察Ll) 容量 エージングの温度依存性
前報14)において、無電界下の容量 エージングはRi
c h‑
t e r
型緩和曲線 に従 うこと,そ して,電界下の容量エー ジングは2
段階の緩和過程を示 し,Ri c ht e r
型緩和 曲 線を改良 した新 モデルにより,良 く説明で きることをつであ り,その緩和時間が T
1 ‑ 72
で,一様分布す る ものと仮定 している。セ ラ ミックス故の不均一 さを考 慮 して,緩和時間の分布が導入 されている。著者 らの 新 モデルでは緩和 の原因系が2
つあると仮定 し,短時 間側及 び長時間側が,それぞれ Tl〜 T2及 びT。〜 T。
で一様 に分布 していることを仮定 した。また,短時間 側 の緩和 には粒界 の性質が影響を及ぼ し,長時間側 の
7 2
三浦純子・川野直樹 ・嵐 友宏 ・佐藤 陽 ・中野幸恵 ・佐藤茂樹 ・野村武史緩和 には粒内の性質が関与 しているものと推察 した。
このモデル
( Fi g.2)
を用いて,電界下の容量 エー ジ ングの温度依存性 を調 べ た。 結 果 をFi g.3
及 びTabl e
lに示す。試験温度が高 いほどェー ジ ングは加 速 され ることが分か る。 このデータを もとにア レニ ウ スプロッ トを行 った結果をFi g.4
に示す。長時間側の 丁。及 び T。の活性化 エネルギ ーは、 それぞれ0. 5 9 e V
及び0. 8 7 e V
であった。短時間側 はデー タが少 ないた めに精度が高 くないものの, Tl及び72の活性化 エネ(% ) a B t nZv u a3Tn 3P a 。U
d
l Rld 2
R2
ルギーとして,それぞれ
0. 4 8 e V
及 び0. 6 3 e V
が得 られ た。 これ らの値 は,チタン酸バ リウム系Ni
電極積層 セ ラ ミックコ ンデ ンサを用 いて, 高温加速寿命試験( HALT)
で得 られた活性化 エネルギーの約半分 であ る9 )0 HALT
の結果か らは,絶縁抵抗劣化の原因 とし て,酸素空位の生成及 び拡散が考え られている。緩和時間 は温度が高 いほど短 くなるが,一方,容量 変化率を見 ると,試験温度が高 くなるのに伴 い変化率
」 1
T.6.81(%
)払trqua3Ut!]!CL各23l og
t( h)
Ne wmode lf orc apac i t annc eagai ngunde r dcf i e l d.
60℃
【コ
ニ ー
4 0 ℃
0. 0 0 1 0. 01 0. 1 1 1 0
1CX) 1(XX) 1 0 4
Ti me( h )
Fi g.3 Capac i t anc eagi ngbe havi orofs ampl e( A) unde rdcf i e l datvar i oust e mpe r at ur e s.
8
6
4
.
aド 2
5 0
‑2
‑ 4
l l l lT4 l
A.E=0.87eV
ロ T A . E = 0 3 , 5 9 e V
2. 6 2. 8 3 3. 2
3.4 1/ TX1 ( X沿( K ‑ 1 )
Fi g.4 Ar r he ni uspl otofr e l axat i ont i meof s ampl e( A)
千)ZOOp
r 0 0;
pl・]fTm B v
JlaL
101 2 1 . Oi l
lot
I0(
)9I . ( X格 1007
㈱ 朋
仁一‑†‑t
B a T 1 0 3
3 0 40 5 0 6 0 70 8 0
咲)1 C O
Te mp e r a t u r e( ウ C)
Fi g.5 Te mpe r at ur ede pe nde nc eoft e t r agonal i t y Tabl e1 Ral axat i ont i meandc apac i t anc ec hangeofs ampl e( A)unde rdcf i e l d
Te mpe r at ur e Appl i e d dl TI T2 d2 T3 T4 ( 。 C) v o ( I ba ) ge ( %)
(h) (h)( %)
(h)( h )
40 60 80 100
‑1.2
0. 0 0 5 0. 0 7 5 1 . 5 ‑ 1 . 0 0. 0 0 2 5 0. 0 2 5
‑ 0. 8 5 0. 0 0 0 8 0. 0 0 5
‑ 0. 6 0. 0 0 0 3 0 . 0 0 2
9 3 9 8 7 7 4 7 3 7 1
・42
00
4005
05 3
第 10巻 第
1
号( 1 997 ) Ni
電 極 積 層 セ ラ ミック コ ンデ ンサ の容 量 エ ー ジ ングに及 ぼす 結晶異方性 の影響5 . l l
l I5
‑0
)60℃ 40OC
5‑
‑ , 8ここClOOoC
5‑ ‑ l l l 】 l
T et r a g on al i t y ( d2 0 0/ d oo2 )
ト )Fi g.6 E f f e c toft et r agonal i t yonl ong‑ t e r m agi ng.
( Sampl e:A)
は小 さ くなる傾向がみ られ る。 これは,熱擾乱 のエネ ルギーによる影響だけでな く,温度 により試料の結 晶 異方性が変化す ること,すなわち,キ ュ リー点 に近 い ほど,結晶異方性が低下す ることも原因のひとつ と考 え られた。そ こで,各温度での
( 0 0 2,2 0 0)
面 のⅩ 線 回折パ ター ンか らa
軸 とC軸の比を求 め,結晶異方性 の温度依存性 を調べた。結果 をFi g.5に示す。温度
の上昇 に伴 って,C /a
比が はば直線的に減少 して い る のがわか る。 この挙動 は純粋 なBaTi03について報告 されているものとはぼ同様である。次 に, この様 に し て求めた結晶異方性 に対 して長時間側 の容量変化率を プロッ トした。結果をFi g.6に示す。良 い相関 が得
られていることが分か る。すなわち,温度 による影響 の中には,熱以外 に,結晶異方性の影響 も含 まれて い るものといえる。(2)キ ュ リー点の影響
前節で用 いた試料のキュ リー点 は約
1 3 0
℃ であ るた め,試験温度( 4 0‑l o o℃)
で の結 晶構造 は正方 晶 と なる。試験温度範囲で,温度が高いほど容量変化率 が 大 きか ったのはtet ragonal i t y ( C /a)
の影響 で あ る と考え られた。では,キュ リー点が低 く,試験温度 で の結晶構造が立方晶の場合 はどうか, とい うことが疑 問になる。そこで,主組成 のBaTi
03のBa
をSr
で, あるいはTi
をZr
で置換 し,キュ リー点 を低温側‑ シ フ トさせた試料を作製 して,その影響を調べた。作製 した試料の容量 の温度特性及 びキュ リー点 をFigs.7
,8
及 びTabl e2に示す。Sr Ti O
。,BaZr O
。のいずれ の 場合 に も,置換量が増え るに従 ってキュ リー点が連続5
%
L.T.(
J tZ ) U
1 1
(Y)1 5 0 0 5 0 1 C O 1 5 ( ) 2
(YlT e m P e r a t u r e( c c)
Fi g.7 Te mpe r at ur ede pe nde nc eofc apac i t anc eof Ba( Ti ,Zr )03 ‑ Sys t e m S ampl e s.
Ba( Ti , Z r )03 ‑ S i O 2‑ Mn O‑ Y2 0, ‑ V2 ‑ 05 ‑ WO3
6()
5(1
4
()L L ヱ̲ 3 0
U
2 0
1 0
‑ l W ‑ 5 0 0 5 0 1
(れ1 5 0 2( 竹
T e m p e r a t u r e( o C )
Fi g.8 Te mpe r at ur ede pe nde nc eofc apac i t anc eof ( Ba,Sr )Ti O3‑ S ys t e m S ampl e s.
( Ba,S r )TI O3 1 Mg O‑ MnO‑ Y2 ‑ 03 ‑ V2 ‑ 05 ‑ Bao 6 1 Cao 6 1 S i O3
Tabl e2 Char ac t e r i s t i c sofBa ( Ti ,Zr)03‑ S yS ‑ t e m s ampl e sand( Ba,Sr )Ti O3‑ S yst em s ampl e s.
Sampl e
Et an 6
pTc
( %) (E lm ) ( o C) BTZ‑ 1 1 8 2 0 1 6. 2 7. 9 E+0 9 BTZ‑ 2 87 6 0 21. 6 1. 4 E+1 0 BTZ‑ 3 5 9 6 0
1.0
11. 9 E+1 0 BTZ‑ 4 4 9 4 0 0. 5 4 2. 4 E+1 0 BST‑ 1 2 07 0 2. 1 3 1. 9 E+l l BST‑ 2 1 7 5 0 1. 1 5 2. 8 E+l l BST‑ 3 49 0 0. 1 6 5. 1 E+l l BST‑ 4 31 0 0. 1 6 4. 3 E+l l BST‑ 5 31 0 0. 1 5 2. 7 E+1 0 BST‑ 6 2 4 0 0. 2 2 4. 2 E+0 8
* * * *
110 75 .15 肇 125 15 . 60 ‑80 110 13
* :Cal c ul at e dVal ue
7 4
三浦純子 ・川野直樹 ・嵐 友宏 ・佐藤 陽 ・中野幸恵 ・佐藤茂樹 ・野村武史的に低下 して いることが分 か る。
次 にこれ らの試料 につ いて無電界下 の容量 エージン グを室温 にて測定 した。結果 を
Fi g.9
及 び 10に示す。Fi g.9
のBa ( Ti ,Zr )03
系試料で は,キ ュ リー点 が 室温以下 の場合,すなわち,結晶構造が立方晶で も容 量 の減少が認 め られた。 また,キュ リー点が高 い試 料 ほど容量減少が著 しい0‑万,Fig.
10に示 した、( Ba
,sr )Ti O3
系試料で は,キュ リー点が1 2 5
℃,15
℃ の試 料で は容量減少が起 こったが,他 の試料で はエージ ングは全 く見 られなか った。 なぜ この様 な違 いが認 め ら れたのかが疑問 とな るoBa (
Ti ,Zr)0。系 と ( Ba
,sr )Ti O
。系試料で は,組成 が異 な るため, 単純 に比 較す ることはで きないが,エージングが観察 されなかっ た試料 のキュ リー点 は,他 よ りも非常 に低 くく測定 す ることがで きなか ったので,計算 15)か ら求 めた各試料 のキ ュ リー点 をTable2
に示す。一方,エー ジングが 観察 された試料 のキ ュ リー点 は,室温以下で はあるがI.i ,) ・1 ㌢ T7 tI
.)I, ・ 1
U.・・JF ・,I.d
rUU[」
口 ヽ.ぺ「 〕「 ⊃ 3 ㌔ 一三 L. n
O01 01 1 1 0
1(111 0( n
Ti mer h )
Fi g.9 Capac i t anc eagi ngofBa ( Tl ,Zr)Ti O
ヨーs ys t e m sampl e sunde rnodcf i e l d.
(%)
払 ut!t p a Dt IT:
7t3 ttd t!
U時莞
1
莞芝. 5 . ;:
:鞭i 肇{'一事
L r '
‑.〜l つ ] つ」 4 5 /n
sT 訂 sT sT sT 訂 B nq B B ら b
● ■ ▲
OOI Ol l 1 0
1(U 1 ( 竹 ) 1 04 105
Tl me( h )
Fi g.1 0 Capac i t anc eagi ngof( Ba,Sr )Ti O3‑
s ys t em unde rnodcf i e l d.
(%)
aS m !tTU a3uqTUt! d d U
l L
】 一\ tT一一一一一一一
Tl me( h )
Fi g.l l Capac i t anc eagl ngOf( Ba,Sr )Ti O3 ‑ s ys t e m s ampl e sunde rdcf i e l d・
比較的高 く,容量 の温度特性 もキュ リー ・ワイスの法 則で表せた。つ ま り,キ ュ リー点以 上であ って も, 完 全 な常誘電相で はな く,まだ強誘電 性 が残 って お り, そのために容量 の減少が起 こった もの と考 え られ る。
次 に,(
Ba,Sr )Ti O3
系試料 の電界下 の容量 エー ジ ングを調べたo結果 をFig.
11に示す。無電界下では, 容量減少が認 め られなか った試料で も,電界 を印加 することによ り,容量 の減少が観察 された。なぜ電界 下 で このよ うな現象がみ られ るのか,今後詳細 な検討 の 必要がある。
(3)結晶粒径 の影響
容量 エージングに及 ぼす結晶異方性の影響について, さ らに考察を進 めるために結晶粒径 の影響 につ いて検 討 した。組成 A の無電 界下 の容量 エー ジ ングに及 ぼ す粒径 の影響 を
Fi g.1 2
に,電界下 の容量 エー ジ ング(%
)
&ttt!ttua3tq!C )tZ d 12 3
l r 1 ー F4
細筆 撃
聾穣Gr a i ns i z e
: 3:岩
宝岩
: :i. ̲
・ 0.5
LL7I
Iせ
0・ 1
1 10 1
(カ 10 00 104 1 05
Ti me
(b)Fi g.1 2 Ef f e c tofgr ai ns i z eoncapacl t anC eagl ng
unde rnodcf i e l d ( Sampl e:A)
(%
)
&ut2tIUaDut!)!3tZdt23結晶異方性の影響
\l▲
\
ム\ 0.35LL皿∴、\\
▲
0.5fLn1
27LL皿 ▲一 一 r l ー
Ti me( h )
Fi g・1 3 E f f e c tofgr ai ns i z eonc apac i t anc eagl ng unde rdcf i e l d( Sampl e:A).
().run.qJe)^)
! S
uaTur44.4
44. 6 44. 8 45. 0 45̲ 2 454 45̲ 6 458
2 0( d e g )
Fi g・1 4 Ef f e ctofgr ai ns i z eonX‑ r aydl f f r ac t i on pat t e r nofs ampl e( A).
を
Fi g.1 3
に示す。粒径が大 きいほど容量減少 が大 き いことが分か る。BaTi 03
は粒径の微細化 に伴 って結晶異方性 が低下 し,0. 2〃m
以下では立方晶を示す ことが知 られて い る1 6 .1
7)
。組成A
の( 2 0 0 )
及 び( 0 0 2 )
面の Ⅹ 線 回折 バ ク‑ ンの例をFi g.1 4
に示す。BaTi O
。及 び組成A
の( 2 0 0,0 0 2 )
面 の Ⅹ 線回折パ ター ンか ら,結 晶異方性( C / a )
モ求 め,粒径 と結晶異方性の関係を調べた。 結 果をFi g.1 5
に示す。BaTi O3
,組成A
と も同様 の傾 向を示 し,粒径が大 きいほど異方性 も大 きくなること が分か る。 この結晶異方性 に対 して,Fi g.1 3
に示 し た電界下 の容量 エージングの容量変化率をプロッ トし た○結果をFi g.1 6
に示す。比較 として,Fi g.6
に示 した温度 による結晶異方性の影響 も示 した。両者 とも,7 5
良い相関が得 られている。すなわち,容量 エージ ング に及 ぼす粒径の影響 には,粒 子の体積の効果 と,結 晶 異方性の影響の両者が含 まれているものと考え られる。
また,同様 に温度 の影響 には,熱 と結晶異方性の両者 が含 まれ るものと考え られる。
前報 14)において,電界下 における容量の経時変化率 は
,Bol t z mann
因子 に電圧によ る加速項 を加 え, さ らに粒径及 び結晶異方性の項を加えた次式で表す こと がで きるものと推察 した。 この式 で は,Ne e l
の熱 ゆ らぎ磁気余効の式 18)同様,異方性及 び粒子の
体積 によ る束縛 エネルギーと熱擾乱のエネルギーの兼ね合 いに よって容量 エージングが決 まることを仮定 した。d‑do Vn e xp ( v K/kT)
d
:容量変化率,d
。:定数,Ⅴ
:電圧,Ⅴ:粒径
,K :
結晶異方性,T
:温度,n
:電圧加速係数(1)
(⊥zoop\007p曾TtrtTOBw
L
1.01 声
3
1 ○001 I
s‑ pl c( A,
G
摺 i n
size(
Li血)Fi g・1 5
Grain
size depe n d
en ce
oft
etragonal
ity( ‑ ) (o u
\U
v)tq4
3
つ
1●
1
̲ユ7LL皿+
̲ 5 L L n
o ̲ 2 5 . l i n o .
35LL皿へー左o○C へ60oC 80℃
lOOoC
0
40
℃,lOV/LLnTe t r a g o
naLi甲 ( d
200/d o o 2)
(‑)Fi g・1 6 Ef f e c toft e t r agonal i t yonl ong‑ t e r m
agi ngofs ampl e( A)
7 6
三浦純子 ・川野直樹 ・嵐 友宏 ・佐藤 陽 ・中野幸恵 ・佐藤茂樹 ・野村武史本研究で得 られ た実験結果 は前報 14)において提案 し た新 モデルとは矛盾せず,式(1)を支持 していることが 分かる。
(4)内部応力の影響
積層セ ラ ミックコンデ ンサを焼成後 に生 じる内部応 力 も,また,容量 エージングに影響を与えるが, これ は,内部応力が結晶異方性 に変化を及ぼすためと考 え られ る。 ロー ドセルを用いて,試料 に応力を加えて容 量を測定 した結果,応力 によって容量 はかな り変化 す ることが明 らか となった
( Fi gs.1 7,1 8 )
。特 に組成B
で,変化が顕著であった。応力によって,結晶異方性も変化す るが,また,キュ リー点 も変化す る19,20)。組 成Bは温度特性が F特性で あ り, キ ュ リー点 を室温 付近 にシフ トさせているので,特 に影響が大 きか った ものと思われ る。また,3(3)節で,粒径 が容量 エー ジ ングに及ぼす影響 について述べたが,粒径 によって内 部応力 にも違 いが生 じる。 ビッカース硬度試験機を用 いて,組成
A
の粒径の違 いによ る内部応力 を測定 し5 0
510
1565l・・‑■‑(%) & utZqU
aDtrqでC d t!3
1.4
it
eO 1.3
t =
a 1.2
日∵‖ 1
r I 】
1 I S a mp l c( F A)
②
虹二 言 二一 ≠ 一 一
\、合 叫
\\\遂\】 @/lぞ
ニ 誓言 F I L ー 】
〆㌢ '①
‑40
6 0 1 6 0 26 0 360 46 0
560Ap pl i e dLo a d( N)
Fi g.1 7 Ef f e c tofs t r e s son t hec apac i t anc eof s ampl e( A).
た。岡崎の方法
2
1)に従 って、 ビッカー ス圧痕 を打 ち、圧痕の大 きさと亀裂長 さを測定 してK
I
。を求 め、次式 より内部応力を見積 もった。K
I
。∝ 2( C /7 T)
1/2(71 (2) KI 。
:破壊 じん性値C
:ビッカース亀裂長 さUl:内部応力
結果を
Fi g.1 9
に示す。粒径が大 きいほど内部応力 は5
0 5
〇一510 1
520 つー 3
11 ● 3 ・
(%)
2
gut!qua
3tr
e).営dtZU CD/D4つiAノ一つー(%)9
蔦 )
1 F F ー 1 S a mp l e( l ら)
① /
刀 こ い
∵
+、\
\
b\
、\
L J
② ‑ ヽ叫
E ー 】 ノ 】 F l / /
P ㍉
/
メ //
/♂
・4
0 60 1 60 2 6 0 36
0 460 5 6 0 Appl i e dLoa d( N)
Fi g.1 8 Ef f e c tofs t r e s son t hec apac i t anc eor s ampl e(
B).(zh;
U J
N)U ‑ 出
5タqO5
5y l0‑ i 45 m05
4勺05
3 , 5 x l 05 モ, 1 1 、 、
C=630 7 ̲MPa
∴
/ .一G
r al n SI ZE
O 02SL LZ n ロ 03 5
LIJZlで 0. 5L E J
nq ̲ 二303 5MPa
・ 。
/ I a
o ̲。,i苧
聖 声
、 q =Ⅰ 2, 6 7 h 伊丑
0 00 0 5 0̲ 01
c I / 2 ( nl / 2 )
0. 01 5 002
Fi g.1 9 Ef f e c tofagl ngS i z eont hei nt e r nals t r e s s
ofs ampl e( A).
結 晶異方性 の影響
Tabl e3 Ef f e c tofr e mov i ngmar gi nont hec apac i t anc eagi ngofs ampl e( A) Agi ngt i me Capac i t anc e
(h)
Change ( %) Unde rdcf i e l d St andar d
6. 3 V) Mar gl ne l i mi nat e ds ampl e Unde rnodcf i e l d St andar d
( r oom t e mpe r at ur e ) Mar gi ne l i mi nat e ds ampl e
大 き くなる傾向が見 られ る。以上 の結 果 か ら, 粒 径,結 晶異方性及 び内部応力 は,相互 に影響 を及 ぼ し合 っ ていることがわか る。
つ ぎに,容量 エー ジングに及 ぼす内部応力の影響 を 調べ るために,組成 A の試 料 の マ ー ジ ン部分 を削 除 して,内部応力を緩和 させた除 いた試料 を作製 した。
無電界下及 び電界下 の容量 エージングに及 ぼすマー ジ ン削除の影響 を
Tabl e3
に示す。無電界下で は, ほ と ん ど違 いは観察 されなか った。一方,電界下では,マー ジン部分 を研磨す ることにより,容量変化が小 さくなっ た。 しか しなが ら,マージン研磨 による内部応力 の変 化及 び,それ に伴 う結晶異方性 の変化 を定量化す る ことはで きなか った。今後検討 の必要 があ る
。
応力 によって容量が変化す ることを示 したが,容量 エージ ングによって内部応力 に変化が生 じるか否か は 明確で はなか った。そ こで, 試 料 A の エ ー ジ ング試 験前後 のチ ップにつ いて,上記 と同様 の方法で内部 応 力を見積 もった。 結果 を
Fl g.2 0
及 び2 1
に示 す。 上 下マー ジン部 で は変化は認め られなかったが,左右マー ジン部で は, エージ ング試験後 に角型 チ ップの巾方 向 の残留圧縮応力が緩和 されていることが分か る。従 っ(C /L tu JN 二 出
01 2 0 1 8 024 03 036
el ′ 2( m")
Fi g.2 0 Ef f e c tofagl ngOnt hei nt e r nals t r e s sof s ampl e( A).
2 3 4 ‑ 6. 4 2
‑ 2. 5 9 5 2 8 ‑ 2. 4 5
‑ 2. 5 0
て,容量 エージング特性 を改善す るためには,内部応 力 を小 さ くす ることが必要 であ るもの と言 え る。
以上 の結果 を総合す ると,温度,粒径,応力 が容量 エー ジングに与 え る影響 には,結晶異方性 の変化 に起 因す る部分があると考え られ る。 また,結晶異方性 の 影響 は非常 に大 きいと考え られ る。 しか しなが ら,香 量 エージングを結晶異方性 のみで説 明す ることはで き ない。前 に述べたよ うに,温度 の影響 には,結 晶異方 性 の変化 だけで はな く,熱 の影響が含 まれている。 ま た,粒径 の影響 には体積 の影響 もあ る。さ らに,前報
1 4 )
で提案 したモデルに従 えば,半立界 の影響 も存 在 す る。
ここには示 さないが,試料
A
中の添加成分 のMnO
量 を増加 させ ると容量 エー ジ ングが悪化 す るが,MnO
添加 によって結晶異方性 は変化 しない とい う結果 も得られている。 このよ うに添加物や焼成条件 によって も 容量 エージングは影響 を受 ける
。Ar
lt
及 びNe umann
は,誘電体 のエージングは,欠陥双極子 の配向, す な わちアクセプタイオ ンと酸素空位 のペアの再配列 によ り起 こると報告 している
2
㌔ 従 って,結晶異方性以外 に も誘導異方性 の概念を,式(1)に導入す る必要があ る もの と考 え られ る。結晶異方性以外 の要因が容量 エー(crt・u/〜)。‑出
O 01 0̲ コ 03 0 4 05
cl2
(ml'2JFi g.2 1 E f f e c tofagl ngOnt hei nt e r nals t r e s sof
s ampl e( A).
7 8
三浦純子 ・川野直樹 ・嵐 友宏 ・佐藤 腸 ・中野幸恵 ・佐藤茂樹 ・野村武史ジングに及 ぼす影響 については,今後の検討課題で あ る。
4.
結 論本研究で は
,BaTi O3
系誘電体の容量 エー ジ ングの 挙動 について結晶異方性の観点か ら検討 し,以下 の結 論を得た。(1
) BaTi O
。系B
特性誘電体の容量 エージングに及 ぼ す温度の影響を調べた結果,高温 になるほど結晶異方 性が低下す るため,容量の経時変化率 は小 さ くなることがわか った。
( 2)
常誘電体で も,強誘電性が残 っている温度範囲 で は,容量 エージングが認 め られた。(3)結晶粒径が小 さくなるほど,容量の経時変化率 は 小 さくなった。容量 エージングに及 ぼす粒径 の影響 に は,粒子の体積の効果 と,結晶異方性の影響の両者 が 含 まれているものと考え られ る。
(4)積層セ ラ ミックコンデ ンサを焼成後 に生 じる内部 応力 は,容量及び容量 エージングに影響を及ぼす こと がわか った。それは,誘電体の結晶異方性 に影響 を与 えるためと考え られ る。容量 エージング特性 の改善 の ためには,内部応力を小 さくす ることが必要であると いえる。
(5)以上,結晶異方性 の観点か ら検討 した結果 か ら, 電界下 における容量の経時変化率を表す式を提案 した。
しか しなが ら,容量 エージングを結晶異方性のみで説 明す ることはで きない。結晶異方性以外 の要因が容量 エージングに及ぼす影響 について検討す ることが,今 後の課題である。
5. 文 献
1