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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

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(1)

素材物性学雑誌 第1

0

1

号 7 0‑7 8( 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

,川 野 ,嵐 宏,

,中 恵,佐 樹,

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

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

3

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

O

n ,57 0‑2

Ma t s u g a s h l t aMl n a mi ‑ h a t

o

r 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

(2)

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

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,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 され ることを報告 している1

3 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,RI

C 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、BaTi

O。 ‑ 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BaTi

03

は水熱合成粉を使用

Sa弼Pe挽き

S 冶 m

tか,̀B主

す弟

を 宅 f 7 3 a j e 皇 e ∈ 翫a e S 呈 t j

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,H2

0‑H2 + 1 /2 02

の平衡反応 を利 用 して,1

0 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

(3)

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 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 Rl

d 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

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

(%

)trqua3Ut!]!CL各23

l og

t

( h)

Ne wmode lf orc apac i t annc eagai ngunde r dcf i e l d.

60

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

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)

)ZOOp

r 0 0;

pl]f

Tm B v

Jla

L

101 2 1 . Oi l

lot

I0(

)9

I . ( X格 1007

㈱ 朋

‑†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

4

2

00

400

5

0

5 3

(4)

第 10巻

1

( 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 I

5

0

)

60℃ 40OC

5‑

, 8C

lOOoC

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t

et 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

Sr

で, あるいは

Ti

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Fi

gs.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

(Yl

T 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

(

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

E

t an 6

p

Tc

( %) (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

1

1. 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

(5)

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

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,Fi

g.

10に示 した

、( Ba

,

sr )Ti O3

系試料で は,キュ リー点が

1 2 5

℃,1

5

℃ 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Tabl

e2

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.・・J

F ・,I.d

rU

U[」

.

「 〕「 ⊃ 3 ㌔ 一三 L. n

O01 01 1 1 0

1(11

1 0( n

Ti mer h )

Fi g.9 Capac i t anc eagi ngofBa ( Tl ,Zr)Ti O

s ys t e m sampl e sunde rnodcf i e l d.

(%)

払 ut!t p a Dt IT:

7t

3 ttd t!

U

時莞

1

莞芝

. 5 . ;:

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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

\ tT

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Fi

g.

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 F

4

筆 撃

Gr a i ns i z e

: 3:岩

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. ̲

・ 0.5

LL7

I

I

0・ 1

1 1

0 1

(カ 1

0 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)

(6)

(%

)

&ut2tIUaDut!)!3tZdt23

結晶異方性の影響

l

\ 0.35LL

0.5fLn

1

27LL

r l

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

uaTur

44.4

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).

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

,0. 2〃m

以下では立方晶を示す ことが知 られて い

1 6 .1

7

)

。組成

A

( 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

( 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

,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,

:粒径

,K :

結晶異方性

,T

:温度,

n

:電圧加速係数

(1)

(zoop007pTtrtTOBw

L

1.01

3

1

001 I

s‑ pl c( A,

G

摺 i n

siz

e(

Li血)

Fi g・1 5

Gra

in

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e n d

en c

e

of

t

etragona

l

ity

( ‑ ) (o u

U

v)tq

4

3

1

1

̲ユ7LL皿

+

̲ 5 L L n

o ̲ 2 5 . l i n o .

35LL

へーoC へ60oC 80

lOOoC

0

40

℃,lOV/LLn

Te t r a g o

naLi

甲 ( d

20

0/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)

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 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

5

10

1565l・・‑■‑

(%) & utZqU

aDtrq

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)

虹二 言 二一 ≠ 一 一

\、

合 叫

@/l

ニ 誓言 F I L ー 】

〆㌢ '

40

6 0 1 6 0 26 0 360 46 0

560

Ap 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) K

I

: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

一5

10 1

5

20 つー 3

1

1 ● 3 ・

(%)

2

gut!qu

a

3t

r

e).営dtZU CD/D4iAノ

(%)9

蔦 )

1 F F ー 1 S a mp l e( l ら)

/

刀 こ い

+

b\

L J

② ‑ ヽ叫

E ー 】 ノ 】 F l / /

P ㍉

/

//

/

4

0 60 1 60 2 6 0 36

0 46

0 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

n

q ̲ 二303 5MPa

・ 。

/ I a

o ̲,i

聖 声

q =

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).

(8)

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

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

l

t

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

(crtu/〜)

O 01 03 0 4 05

cl

2

(ml'2J

Fi g.2 1 E f f e c tofagl ngOnt hei nt e r nals t r e s sof

s ampl e( A).

(9)

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.

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

) J.M.He r be r t ,Tr ams . Br .Ce r am. Soc " 6 2 ( 1 9 6 3 )6 4 5.

2) I. Bur,and G. H. Mahe r ,J. Mat e r . Sc i . ,1 0 ( 1 9 7 5 )6 3 3.

3 ) Y. Sakabe,K. Mi naiandK. Waki no ,J pn. J.

Appl . Ph ys . ,2 0( 1 9 8 1 )Suoo l .2 0 ‑ 41 4 7.

4 ) T. Nomur a,A. Sat oandY. Nakano ,J. So c . Mat e r . En g. Re s our . J pn. ,5( 1 9 9 2 )4 4.

5 ) T. Nomur a,S. Sumi t a,Y. Nakano and K.

Ni s hi yama ,Pr oc .5t h US‑ J pn.Se mi narDi ‑ e l e c t r i cPi e z oe l e c t r i cCe r ami c s ,Kyot o,Ja p an

,

( 1 9 9 0 )2 9.

6 ) S. Sumi t a, M. I ke da, Y. Nakano, K. Ni s hi yama andT. Nomur a ,J. Am.Ce r am. Soc . ,7 4 ( 1 9 9

1)

27 3 9.

7 )

野村武史 ,佐藤陽,人見篤志,中野幸恵 ,粉体及 び粉末冶金,3

9( 1 9 9 2 )5 9 0 .

8) T. Nomur aandY. Nakano ,De ns hiToh yo

,

31( 1 9 9 3 )1 6 8.

9 ) Y. Nakano, A. Sat o, ∫. Hi t omiandT. Nomur a

,

Ce r am.Tr ams . ,3 2( 1 9 9 3 )1 1 9.

1 0 )

野村武史,人見篤志,佐藤陽,中野幸恵 ,粉体及 び粉末冶金,4

0( 1 9 9 3 )67 7.

l l )

人見篤志,佐藤陽,中野幸恵,野村武史 ,粉体及 び粉末冶金,4

0( 1 9 9 2 )4 5 5.

1 2 ) ∫. Yamamat s u, N. Kawano, T. Ar as hl , A. Sat o

,

Y. NakanoandT. Nomur a ,J. Powe rSour c e s

,

6 0( 1 9 9 6 )1 9 9.

1 3 )

川野直樹,中野幸恵,佐藤陽,嵐友宏,山松純子, 野村武史,粉体及び粉末冶金,4

2( 1 9 9 5 )5 6 7.

1 4 ) T. Nomur a,N.Kawano,∫. Yamamat s u,T.

Ar as hi ,Y. Nakano and A.Sat o ,J pn. J. Appl . Ph ys . ,3 4( 1 ‑ 9B)( 1 9 9 5 )5 3 8 9.

1 5 )

岡崎清, セ ラ ミック誘電体工学,2

8 2

,学献社

( 1 9 6 9 ) .

1 6 ) G. Ar l t ,D. He nni ngsandG. deWi t h , J. Appl . Ph ys "5 8( 4 )( 1 9 8 5 )1 6 1 9.

1 7 ) K. Uc hi no,E. Sadanagaand T. Hi r os e, J. Am.

Ce r am. Soc . , 7 2( 8 )( 1 9 8 9 )1 5 5 5.

1 8 ) L. Ne e l ,Ar m.Ge o ph ys リ5 9 9 ‑ 1 3 6( 1 9 4 9 ).

1 9 ) S. Mi nomur a, T. KawakuboandT. Nakagawa

,

Jpn. J. Appl . Ph ys . ,3( 1 9 6 4 )5 6 2.

2 0) A. K.Gos wami ,J. Ph ys . Soc . J pn リ 2 1 ( 6)

,

( 1 9 6 6 )1 0 37.

2

1

) K. Okaz aki ,Ame r. Ce r am. Soc. Bul l . ,6 3 ( 9 )

,

( 1 9 8 4 )1 1 5 0.

2 2 ) G. Ar l tandH. Ne umann ,Fe r r oe l e c t r i c s ,8 7

( 1 9 8 8 )1 0 9.

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
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

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