JP2017154900A - Dielectric body composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電体組成物に関し、さらに詳しくは、ＢａＴｉＯ3系粒子とガラスマトリックスとを主成分とする誘電体組成物に関する。 The present invention relates to a dielectric composition, and more particularly to a dielectric composition mainly composed of BaTiO 3 -based particles and a glass matrix.
コンデンサは、２枚の電極の間に誘電体を挿入したものであり、その静電容量は、誘電体の比誘電率に比例する。コンデンサに使用される誘電体としては、例えば、セラミックス、プラスチック、絶縁油、マイカなどが知られている。特に、ＢａＴｉＯ3は、比誘電率が大きいため、小型・大容量のコンデンサの誘電体には、主としてＢａＴｉＯ3が用いられている。 A capacitor has a dielectric inserted between two electrodes, and its capacitance is proportional to the dielectric constant of the dielectric. As dielectrics used for capacitors, for example, ceramics, plastics, insulating oil, mica and the like are known. In particular, BaTiO 3, since the dielectric constant is large, the dielectric of the capacitor of small size and large capacity, have primarily BaTiO 3 is used.
ＢａＴｉＯ3は、常温（２５℃）では正方晶であるが、結晶構造が正方晶（強誘電体）から立方晶（常誘電体）に変化するキュリー点（約１２５℃）を持ち、キュリー点では比誘電率が最も高くなる。そのため、ＢａＴｉＯ3を用いたコンデンサは、キュリー点近傍において静電容量が大きく変化する。また、ＢａＴｉＯ3からなる緻密な焼結体を得るためには、１３００℃前後の高い焼結温度を必要とする。 BaTiO 3 is tetragonal at room temperature (25 ° C.), but has a Curie point (about 125 ° C.) at which the crystal structure changes from tetragonal (ferroelectric) to cubic (paraelectric). The relative dielectric constant is the highest. Therefore, the capacitance using BaTiO 3 changes greatly in the vicinity of the Curie point. Further, in order to obtain a dense sintered body made of BaTiO 3 , a high sintering temperature around 1300 ° C. is required.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、２５℃で立方晶の結晶構造を持つチタン酸バリウムに対して１〜１０質量部のＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｌｉ2Ｏ系ガラスを加えて混合し、この混合物を９００〜１０００℃で焼結することにより得られる誘電体組成物が開示されている。
同文献には、
（ａ）焼結温度を１０００℃以下にすることによって、焼結後もチタン酸バリウムは室温において立方晶の結晶構造を持つ点、
（ｂ）ガラスの量を１〜１０質量部とすることにより、比誘電率が高く、かつ、ボイドの少ない誘電体磁器や誘電体層を形成することができる点、及び、
（ｃ）このようにして得られた誘電体磁器や誘電体層は明確なキュリー点を持たないために、静電容量のばらつきを抑制することができる点、
が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made. For example, in
In the same document,
(A) By setting the sintering temperature to 1000 ° C. or lower, barium titanate has a cubic crystal structure at room temperature even after sintering,
(B) By setting the amount of glass to 1 to 10 parts by mass, it is possible to form a dielectric ceramic or dielectric layer having a high relative dielectric constant and few voids, and
(C) The dielectric porcelain and the dielectric layer obtained in this way do not have a clear Curie point, so that variation in capacitance can be suppressed,
Is described.
ハイブリッド車やＥＶ車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）には、高出力化が求められており、半導体パワー素子の材料としてＳｉＣやＧａＮを用いることが検討されている。このような高出力のＰＣＵに用いられるコンデンサには、耐熱性（−４０℃〜２５０℃）、熱伝導性、及び耐電圧性（６５０Ｖ以上）が必要となる。さらに、ＰＣＵを低コスト化するには、これに用いられるコンデンサの低コスト化も求められている。
しかし、従来の誘電体組成物でこれらの条件をすべて満たすものは知られていない。例えば、ＢａＴｉＯ3は、比誘電率、耐電圧性、及び耐熱性は高いが、緻密な焼結体を得るためには高い焼結温度が必要であるため、高コストである。また、焼結温度を下げるためにガラスと複合化させると、熱伝導率が低下する。
High power is required for power control units (PCUs) of hybrid vehicles and EV vehicles, and the use of SiC or GaN as a material for semiconductor power devices is being studied. A capacitor used for such a high-output PCU requires heat resistance (−40 ° C. to 250 ° C.), thermal conductivity, and voltage resistance (650 V or more). Furthermore, in order to reduce the cost of the PCU, it is also required to reduce the cost of the capacitor used therefor.
However, a conventional dielectric composition that satisfies all these conditions is not known. For example, BaTiO 3 is high in relative dielectric constant, voltage resistance, and heat resistance, but is expensive because a high sintering temperature is required to obtain a dense sintered body. In addition, when it is combined with glass to lower the sintering temperature, the thermal conductivity is lowered.
本発明が解決しようとする課題は、比誘電率、耐電圧性、及び耐熱性に優れ、かつ、低コストな誘電体組成物を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、さらに熱伝導性にも優れた誘電体組成物を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a dielectric composition which is excellent in relative dielectric constant, voltage resistance, and heat resistance and is low in cost.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a dielectric composition that is further excellent in thermal conductivity.
上記課題を解決するために、本発明に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ3系粒子と
を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the dielectric composition according to the present invention comprises:
A matrix made of glass having a melting point of 400 ° C. or higher and 850 ° C. or lower;
It is characterized by comprising BaTiO 3 -based particles dispersed in the matrix.
前記誘電体組成物は、
前記マトリックス中に分散している高熱伝導粒子をさらに備え、
前記高熱伝導粒子は、前記ガラス及び前記ＢａＴｉＯ3系粒子よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる
ものが好ましい。
The dielectric composition is:
Further comprising highly thermally conductive particles dispersed in the matrix;
The high thermal conductive particles are preferably made of a high thermal conductive material having a higher thermal conductivity than the glass and the BaTiO 3 based particles.
ＢａＴｉＯ3系粒子は、比誘電率及び耐電圧性に優れている。このようなＢａＴｉＯ3系粒子を適度な融点を持つガラスマトリックス中に分散させると、耐熱性を著しく低下させることなく、低温での焼結が可能となる。また、ガラスマトリックス中に高熱伝導粒子をさらに分散させると、高熱伝導粒子無添加の場合と比べて熱伝導率が向上する。 BaTiO 3 -based particles are excellent in relative dielectric constant and voltage resistance. When such BaTiO 3 -based particles are dispersed in a glass matrix having an appropriate melting point, sintering at a low temperature is possible without significantly reducing the heat resistance. Further, when the high thermal conductivity particles are further dispersed in the glass matrix, the thermal conductivity is improved as compared with the case where the high thermal conductivity particles are not added.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 誘電体組成物（１）］
本発明の第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ3系粒子と
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Dielectric composition (1)]
The dielectric composition according to the first embodiment of the present invention is:
A matrix made of glass having a melting point of 400 ° C. or higher and 850 ° C. or lower;
BaTiO 3 -based particles dispersed in the matrix.
［１．１． ガラス］
［１．１．１． 融点］
誘電体組成物のマトリックスは、融点が所定の範囲にあるガラスからなる。ガラスの融点が低すぎると、誘電体組成物の耐熱性が低下する。従って、ガラスの融点は、４００℃以上である必要がある。融点は、好ましくは、４５０℃以上、更に好ましくは、５００℃以上である。
一方、ガラスの融点が高すぎると、焼結温度が高くなり、製造コストが増大する。また、ガラスの組成によっては、ガラスとＢａＴｉＯ3系粒子とが反応し、ガスが発生してポアができる場合がある。従って、ガラスの融点は、８５０℃以下である必要がある。融点は、好ましくは、７００℃以下、さらに好ましくは、６００℃以下である。
[1.1. Glass]
[1.1.1. Melting point]
The matrix of the dielectric composition is made of glass having a melting point within a predetermined range. When the melting point of the glass is too low, the heat resistance of the dielectric composition is lowered. Therefore, the melting point of the glass needs to be 400 ° C. or higher. The melting point is preferably 450 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher.
On the other hand, if the melting point of the glass is too high, the sintering temperature increases and the production cost increases. Depending on the composition of the glass, the glass and BaTiO 3 -based particles may react with each other to generate gas and generate pores. Therefore, the melting point of the glass needs to be 850 ° C. or less. The melting point is preferably 700 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or lower.
［１．１．２． ガラスの組成］
ガラスの組成は、上述した条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。例えば、ガラスは、非晶質であっても良く、あるいは、熱処理によって結晶を析出させた結晶化ガラスでも良い。また、ガラスは、非鉛ガラスであっても良く、あるいは、鉛入りガラスであっても良い。
[1.1.2. Glass composition]
The composition of the glass is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied. For example, the glass may be amorphous or may be crystallized glass in which crystals are precipitated by heat treatment. Further, the glass may be non-lead glass or lead-containing glass.
マトリックスを構成するガラスとしては、例えば、
（ａ）ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｒ2Ｏ−ＳｒＯ−ＺｒＯ（Ｒは、アルカリ金属。以下同じ）などのホウケイ酸塩系ガラス、
（ｂ）ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯなどのビスマス酸塩系ガラス、
（ｃ）Ｐ2Ｏ5−Ａｌ2Ｏ3−Ｒ2Ｏ−ＺｎＯなどのリン酸塩系ガラス、
（ｄ）Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＺｒＯ2などの鉛入り系ガラス、
（ｅ）ヴァナジウム系ガラス、
などがある。
これらの中でも、マトリックスを構成するガラスは、ホウケイ酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス、又はリン酸塩系ガラスが好ましい。これらのガラスは、有害元素（Ｐｂ）を含まず、かつ、これをマトリックスとして用いた時に高い誘電特性が得られる。マトリックスを構成するガラスは、特に、ホウケイ酸塩系ガラスが好ましい。これは、ＢａＴｉＯ3とガラスの反応性が低く、焼結温度の範囲を広く取れるためである。
As the glass constituting the matrix, for example,
(A) Borosilicate glass such as SiO 2 —B 2 O 3 —R 2 O—SrO—ZrO (R is an alkali metal; the same shall apply hereinafter),
(B) Bismutate glass such as SiO 2 —B 2 O 3 —Bi 2 O 3 —ZnO,
(C) Phosphate glasses such as P 2 O 5 —Al 2 O 3 —R 2 O—ZnO,
(D) lead-containing glass such as B 2 O 3 —SiO 2 —ZnO—PbO—ZrO 2 ;
(E) Vanadium glass,
and so on.
Among these, the glass constituting the matrix is preferably borosilicate glass, bismuthate glass, or phosphate glass. These glasses do not contain harmful elements (Pb), and high dielectric properties can be obtained when they are used as a matrix. The glass constituting the matrix is particularly preferably a borosilicate glass. This is because the reactivity of BaTiO 3 and glass is low and a wide range of sintering temperatures can be obtained.
［１．２． ＢａＴｉＯ3系粒子］
［１．２．１． ＢａＴｉＯ3系粒子の組成］
マトリックス中には、ＢａＴｉＯ3系粒子が分散している。
本発明において、「ＢａＴｉＯ3系粒子」とは、
（ａ）ＢａＴｉＯ3からなる粒子、又は、
（ｂ）ＢａＴｉＯ3のＢａサイトの一部及び／又はＴｉサイトの一部が他の元素Ｍで置換された化合物からなる粒子
をいう。
[1.2. BaTiO 3 -based particles]
[1.2.1. Composition of BaTiO 3 -based particles]
BaTiO 3 -based particles are dispersed in the matrix.
In the present invention, “BaTiO 3 -based particles”
(A) Particles made of BaTiO 3 or
(B) A particle made of a compound in which a part of BaTiO 3 and / or a part of Ti site is substituted with another element M.
ＢａＴｉＯ3系粒子が元素Ｍを含む場合、元素Ｍの種類及び含有量は、特に限定されるものではなく、誘電体組成物に要求される特性などに応じて、最適なものを選択することができる。最適な含有量（元素Ｍが占有するサイトに占める元素Ｍの割合）は、元素Ｍの種類などにより異なるが、通常、０．１ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％程度である。
元素Ｍとしては、例えば、誘電体組成物の絶縁破壊電圧を向上させる作用があるＭｎ、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉなどがある。
When the BaTiO 3 -based particles contain the element M, the type and content of the element M are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the characteristics required for the dielectric composition. it can. The optimum content (ratio of element M in the site occupied by element M) varies depending on the type of element M and the like, but is usually about 0.1 mol% to 5 mol%.
Examples of the element M include Mn, Y, Mg, Ca, Al, and Si that have an effect of improving the dielectric breakdown voltage of the dielectric composition.
［１．２．２． ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径］
ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径は、誘電体組成物の誘電特性に影響を与える。
ここで、「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法により測定される粒子のメディアン径をいう。後述する高熱伝導粒子及びガラス粒子の平均粒径も同様である。
[1.2.2. Average particle size of BaTiO 3 particles]
The average particle size of the BaTiO 3 -based particles affects the dielectric properties of the dielectric composition.
Here, the “average particle diameter” refers to the median diameter of particles measured by a laser diffraction / scattering method. The same applies to the average particle diameters of the highly thermally conductive particles and glass particles described later.
一般に、ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、２００ｎｍ以上である。
一方、ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、気孔率が増大し、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の平均粒径は、５００ｎｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３００ｎｍ以下である。
In general, if the average particle size of the BaTiO 3 -based particles becomes too small, the relative dielectric constant decreases. Therefore, the average particle size of the BaTiO 3 -based particles is preferably 100 nm or more. The average particle size is preferably 200 nm or more.
On the other hand, if the average particle size of the BaTiO 3 particles is too large, the porosity may increase and the dielectric breakdown strength may decrease. Therefore, the average particle diameter of the BaTiO 3 system particles is preferably 500 nm or less. The average particle size is preferably 300 nm or less.
［１．３． 誘電体組成物（１）の組成］
第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、次の式（１）及び式（２）の関係を満たしているのが好ましい。
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（１）
５０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ)≦９０ｖｏｌ％ ・・・（２）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ3の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積。
[1.3. Composition of Dielectric Composition (1)]
The dielectric composition according to the first embodiment preferably satisfies the relationship of the following formulas (1) and (2).
10 vol% ≦ x × 100 / (x + y) ≦ 50 vol% (1)
50 vol% ≦ y × 100 / (x + y) ≦ 90 vol% (2)
However,
x is the volume of the BaTiO 3 contained in the dielectric composition;
y is the volume of the glass contained in the dielectric composition.
［１．３．１． ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量］
式（１）は、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラスは、ＢａＴｉＯ3系粒子に比べて比誘電率が小さい。そのため、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、好ましくは、２０ｖｏｌ％以上、さらに好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量が過剰になると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、好ましくは、４０ｖｏｌ％以下である。
[1.3.1. Content of BaTiO 3 -based particles]
Formula (1) represents the allowable range of the content of BaTiO 3 -based particles. Glass has a relative dielectric constant smaller than that of BaTiO 3 -based particles. Therefore, if the content of BaTiO 3 -based particles is too small, the dielectric constant of the dielectric composition is lowered. Therefore, the content of BaTiO 3 -based particles is preferably 10 vol% or more. The content of BaTiO 3 -based particles is preferably 20 vol% or more, and more preferably 30 vol% or more.
On the other hand, when the content of BaTiO 3 -based particles is excessive, the dielectric breakdown strength may be reduced. Therefore, the content of BaTiO 3 -based particles is preferably 50 vol% or less. The content of the BaTiO 3 -based particles is preferably 40 vol% or less.
［１．３．２． ガラスの含有量］
式（２）は、ガラスの含有量の許容範囲を表す。ガラスの含有量が少なすぎると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ガラスの含有量は、５０ｖｏｌ％以上が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、６０ｖｏｌ％以上である。
一方、ガラスの含有量が過剰になると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ガラスの含有量は、９０ｖｏｌ％以下が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、８０ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、７０ｖｏｌ％以下である。
[1.3.2. Glass content]
Formula (2) represents the tolerance | permissible_range of glass content. If the glass content is too small, the dielectric breakdown strength may decrease. Accordingly, the glass content is preferably 50 vol% or more. The glass content is preferably 60 vol% or more.
On the other hand, when the glass content is excessive, the dielectric constant of the dielectric composition is lowered. Accordingly, the glass content is preferably 90 vol% or less. The glass content is preferably 80 vol% or less, more preferably 70 vol% or less.
［１．３．３． 不純物の含有量］
第１の実施の形態に係る誘電体組成物は、ＢａＴｉＯ3系粒子及びガラスのみからなるものが好ましいが、これら以外の成分（不純物）が含まれていても良い。しかし、不純物の含有量が過剰になると、誘電体組成物の誘電体特性が低下する場合がある。従って、不純物の含有量は、５ｖｏｌ％以下が好ましい。不純物の含有量は、好ましくは、３ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、１ｖｏｌ％以下である。
ここで、「不純物の含有量」とは、誘電体組成物に含まれるすべての成分（気孔を除く）の総体積に対する不純物の体積の割合をいう。
[1.3.3. Impurity content]
The dielectric composition according to the first embodiment is preferably composed only of BaTiO 3 particles and glass, but may contain other components (impurities). However, when the content of impurities becomes excessive, the dielectric properties of the dielectric composition may deteriorate. Therefore, the content of impurities is preferably 5 vol% or less. The content of impurities is preferably 3 vol% or less, more preferably 1 vol% or less.
Here, “impurity content” refers to the ratio of the volume of impurities to the total volume of all components (excluding pores) contained in the dielectric composition.
［１．４． 気孔率］
誘電体組成物に含まれる気孔は、絶縁破壊強度を低下させる原因となる。従って、誘電体組成物の気孔率は、小さいほどよい。高い絶縁破壊強度を得るためには、気孔率は、５ｖｏｌ％以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、３ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは、１ｖｏｌ％以下である。
ここで、「気孔率」とは、誘電体組成物の全体積に占める気孔の体積の割合をいう。
[1.4. Porosity]
The pores contained in the dielectric composition cause a decrease in dielectric breakdown strength. Therefore, the smaller the porosity of the dielectric composition, the better. In order to obtain high dielectric breakdown strength, the porosity is preferably 5 vol% or less. The porosity is preferably 3 vol% or less, more preferably 1 vol% or less.
Here, “porosity” refers to the ratio of the volume of the pores to the total volume of the dielectric composition.
［２． 誘電体組成物（２）］
本発明の第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、
融点が４００℃以上８５０℃以下であるガラスからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ3系粒子と、
前記マトリックス中に分散している高熱伝導粒子と、
を備えている。
[2. Dielectric composition (2)]
The dielectric composition according to the second embodiment of the present invention is:
A matrix made of glass having a melting point of 400 ° C. or higher and 850 ° C. or lower;
BaTiO 3 -based particles dispersed in the matrix;
Highly thermally conductive particles dispersed in the matrix;
It has.
［２．１． ガラス］
ガラスの詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［２．２． ＢａＴｉＯ3系粒子］
ＢａＴｉＯ3系粒子の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[2.1. Glass]
The details of the glass are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[2.2. BaTiO 3 -based particles]
Details of the BaTiO 3 -based particles are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
［２．３． 高熱伝導粒子］
［２．３．１． 高熱伝導粒子の組成］
「高熱伝導粒子」とは、ガラス及びＢａＴｉＯ3系粒子よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる粒子をいう。高熱伝導材料の熱伝導率は、高いほど良い。
また、誘電体組成物の比誘電率の低下を抑制するためには、高熱伝導材料の比誘電率は、少なくともガラスの比誘電率以上が好ましい。
[2.3. High thermal conductivity particles]
[2.3.1. Composition of high thermal conductivity particles]
“High thermal conductivity particles” refers to particles made of a high thermal conductivity material having higher thermal conductivity than glass and BaTiO 3 -based particles. The higher the thermal conductivity of the high thermal conductive material, the better.
In order to suppress a decrease in the relative dielectric constant of the dielectric composition, the relative dielectric constant of the high thermal conductivity material is preferably at least equal to or higher than that of glass.
高熱伝導材料は、上述の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。高熱伝導材料としては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素、酸化マグネシウムなどがある。
これらの中でも、窒化アルミニウム、アルミナ、及びサファイアは、高い熱伝導率と、ガラスよりも高い比誘電率を持つので、高熱伝導材料として好適である。
The high thermal conductive material is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied. Examples of the high thermal conductive material include aluminum nitride, alumina, sapphire, boron nitride, and magnesium oxide.
Among these, aluminum nitride, alumina, and sapphire have high thermal conductivity and a higher relative dielectric constant than glass, and thus are suitable as high thermal conductivity materials.
［２．３．２． 平均粒径］
高熱伝導粒子の平均粒径は、誘電体組成物の熱伝導率及び比誘電率に影響を与える。一般に、高熱伝導粒子の平均粒径が小さくなるほど、少量の添加で誘電体組成物内に熱伝導パスが形成されやすくなるので、比誘電率の低下を抑制することができる。このような効果を得るためには、高熱伝導粒子の平均粒径は、２μｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、１μｍ以下である。
一方、高熱伝導粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、目的とする熱伝導度を得るのに必要な高熱伝導粒子の量が多くなり、緻密化が阻害される。従って、高熱伝導粒子の平均粒径は、２００ｎｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３００ｎｍ以上、さらに好ましくは、５００ｎｍ以上である。
[2.3.2. Average particle size]
The average particle diameter of the high thermal conductivity particles affects the thermal conductivity and relative dielectric constant of the dielectric composition. In general, the smaller the average particle size of the high thermal conductivity particles, the easier it is to form a thermal conduction path in the dielectric composition with the addition of a small amount, so that a decrease in the dielectric constant can be suppressed. In order to obtain such an effect, the average particle size of the high thermal conductivity particles is preferably 2 μm or less. The average particle size is preferably 1 μm or less.
On the other hand, if the average particle size of the high thermal conductivity particles becomes too small, the amount of the high thermal conductivity particles necessary to obtain the target thermal conductivity increases, and densification is hindered. Therefore, the average particle diameter of the high thermal conductive particles is preferably 200 nm or more. The average particle size is preferably 300 nm or more, and more preferably 500 nm or more.
［２．３．３． 粒子形状］
高熱伝導粒子の粒子形状は、誘電体組成物の熱伝導率及び比誘電率に影響を与える。高熱伝導粒子は、等軸状粒子でもよい。しかし、高熱伝導粒子のアスペクト比が大きくなるほど、少量の添加で誘電体組成物内に熱伝導パスが形成されやすくなるので、比誘電率の低下を抑制することができる。このような効果を得るためには、高熱伝導粒子のアスペクト比は、２以上が好ましい。アスペクト比は、好ましくは、３以上である。
[2.3.3. Particle shape]
The particle shape of the high thermal conductivity particles affects the thermal conductivity and relative dielectric constant of the dielectric composition. The highly thermally conductive particles may be equiaxed particles. However, as the aspect ratio of the high thermal conductivity particles is increased, a heat conduction path is easily formed in the dielectric composition with a small amount of addition, so that a decrease in the dielectric constant can be suppressed. In order to obtain such an effect, the aspect ratio of the highly thermally conductive particles is preferably 2 or more. The aspect ratio is preferably 3 or more.
［２．４． 誘電体組成物（２）の組成］
第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、次の式（３）〜式（５）の関係を満たしているのが好ましい。
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（３）
１０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（４）
２０ｖｏｌ％≦ｚ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦６０ｖｏｌ％ ・・・（５）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ3の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積、
ｚは、前記誘電体組成物に含まれる高熱伝導粒子の体積。
[2.4. Composition of Dielectric Composition (2)]
The dielectric composition according to the second embodiment preferably satisfies the relationships of the following formulas (3) to (5).
10 vol% ≦ x × 100 / (x + y + z) ≦ 50 vol% (3)
10 vol% ≦ y × 100 / (x + y + z) ≦ 50 vol% (4)
20 vol% ≦ z × 100 / (x + y + z) ≦ 60 vol% (5)
However,
x is the volume of the BaTiO 3 contained in the dielectric composition;
y is the volume of the glass contained in the dielectric composition;
z is the volume of the highly thermally conductive particles contained in the dielectric composition.
［２．４．１． ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量］
式（３）は、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラス及び高熱伝導粒子は、ＢａＴｉＯ3系粒子に比べて比誘電率が小さい。そのため、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量が過剰になると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ＢａＴｉＯ3系粒子の含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。
[2.4.1. Content of BaTiO 3 -based particles]
Formula (3) represents the allowable range of the content of BaTiO 3 -based particles. Glass and high thermal conductivity particles have a relative dielectric constant smaller than that of BaTiO 3 -based particles. Therefore, if the content of BaTiO 3 -based particles is too small, the dielectric constant of the dielectric composition is lowered. Therefore, the content of BaTiO 3 -based particles is preferably 10 vol% or more. The content of the BaTiO 3 -based particles is preferably 30 vol% or more.
On the other hand, when the content of BaTiO 3 -based particles is excessive, the dielectric breakdown strength may be reduced. Therefore, the content of BaTiO 3 -based particles is preferably 50 vol% or less.
［２．４．２． ガラスの含有量］
式（４）は、ガラスの含有量の許容範囲を表す。ガラスの含有量が少なすぎると、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、ガラスの含有量は、１０ｖｏｌ％以上が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、２０ｖｏｌ％以上である。
一方、ガラスの含有量が過剰になると、誘電体組成物の比誘電率が低下する。従って、ガラスの含有量は、５０ｖｏｌ％以下が好ましい。ガラスの含有量は、好ましくは、４０ｖｏｌ％以下である。
なお、ガラス及び高熱伝導粒子の比誘電率は、ＢａＴｉＯ3系粒子に比べて格段に小さい。そのため、第１の実施の形態に比べてガラスの含有量が少ない場合であっても、ガラスと高熱伝導粒子の総含有量が適切な範囲にある時には、絶縁破壊強度の低下を抑制することができる。
[2.4.2. Glass content]
Formula (4) represents the tolerance | permissible_range of glass content. If the glass content is too small, the dielectric breakdown strength may decrease. Therefore, the glass content is preferably 10 vol% or more. The glass content is preferably 20 vol% or more.
On the other hand, when the glass content is excessive, the dielectric constant of the dielectric composition is lowered. Therefore, the glass content is preferably 50 vol% or less. The glass content is preferably 40 vol% or less.
The relative dielectric constant of the glass and high heat conductive particles is much smaller than that of BaTiO 3 system particles. Therefore, even when the glass content is lower than that of the first embodiment, when the total content of the glass and the high thermal conductivity particles is in an appropriate range, the reduction in the dielectric breakdown strength can be suppressed. it can.
［２．４．３． 高熱伝導粒子の含有量］
式（５）は、高熱伝導粒子の含有量の許容範囲を表す。ガラス及びＢａＴｉＯ3系粒子は、高熱伝導粒子に比べて熱伝導率が小さい。そのため、高熱伝導粒子の含有量が少なすぎると、誘電体組成物の熱伝導率の向上が不十分となる。従って、高熱伝導粒子の含有量は、２０ｖｏｌ％以上が好ましい。熱伝導粒子の含有量は、好ましくは、３０ｖｏｌ％以上である。
一方、高熱伝導粒子の含有量が過剰になると、気孔率が増大し、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、高熱伝導粒子の含有量は、６０ｖｏｌ％以下が好ましい。高熱伝導粒子の含有量は、好ましくは、５０ｖｏｌ％以下である。
[2.4.3. Content of high thermal conductivity particles]
Formula (5) represents the tolerance | permissible_range of content of highly heat conductive particle. Glass and BaTiO 3 -based particles have a lower thermal conductivity than high thermal conductivity particles. For this reason, when the content of the high thermal conductive particles is too small, the improvement of the thermal conductivity of the dielectric composition becomes insufficient. Accordingly, the content of the high thermal conductive particles is preferably 20 vol% or more. The content of the heat conductive particles is preferably 30 vol% or more.
On the other hand, when the content of the high thermal conductive particles becomes excessive, the porosity may increase and the dielectric breakdown strength may decrease. Therefore, the content of the high thermal conductive particles is preferably 60 vol% or less. The content of the high thermal conductive particles is preferably 50 vol% or less.
［２．４．４． 不純物の含有量］
第２の実施の形態に係る誘電体組成物は、ＢａＴｉＯ3系粒子、ガラス及び高熱伝導粒子のみからなるものが好ましいが、これら以外の成分（不純物）が含まれていても良い。不純物の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[2.4.4. Impurity content]
The dielectric composition according to the second embodiment is preferably composed only of BaTiO 3 -based particles, glass and high thermal conductivity particles, but may contain other components (impurities). The details of the impurities are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
［２．５． 気孔率］
気孔率の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[2.5. Porosity]
Since the details of the porosity are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
［３． 誘電体組成物の製造方法］
本発明に係る誘電体組成物は、
（ａ）所定の組成となるように原料を混合し、
（ｂ）混合物を所定の形状に成形し、
（ｃ）成形体を所定の温度で加熱する
ことにより製造することができる。
[3. Method for producing dielectric composition]
The dielectric composition according to the present invention is:
(A) mixing raw materials so as to have a predetermined composition;
(B) forming the mixture into a predetermined shape;
(C) The molded body can be produced by heating at a predetermined temperature.
［３．１． 混合工程］
まず、所定の組成となるように原料を混合する（混合工程）。原料の混合方法及び混合条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を用いることができる。
[3.1. Mixing process]
First, raw materials are mixed so as to have a predetermined composition (mixing step). The mixing method and mixing conditions of the raw materials are not particularly limited, and optimum methods and conditions can be used according to the purpose.
マトリックスの原料には、ガラス粉末が用いられる。ガラス粉末の粒径が大きすぎると、マトリックス中にＢａＴｉＯ3系粒子及び高熱伝導粒子を均一に分散させるのが困難となる。従って、ガラス粉末の平均粒径は、５μｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、３μｍ以下である。
一方、ガラス粉末の平均粒径を必要以上に小さくすると、効果が飽和するだけでなく、製造コストの増大を招く。従って、ガラス粉末の平均粒径は、０．５μｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、１μｍ以上である。
Glass powder is used as a raw material for the matrix. If the particle size of the glass powder is too large, it will be difficult to uniformly disperse the BaTiO 3 -based particles and the high thermal conductive particles in the matrix. Accordingly, the average particle size of the glass powder is preferably 5 μm or less. The average particle size is preferably 3 μm or less.
On the other hand, if the average particle size of the glass powder is made smaller than necessary, the effect is saturated and the manufacturing cost is increased. Therefore, the average particle size of the glass powder is preferably 0.5 μm or more. The average particle diameter is preferably 1 μm or more.
本発明においては、従来より低温において焼結が行われるため、ＢａＴｉＯ3系粒子及び高熱伝導粒子は、焼結時にほとんど粒成長しない。すなわち、原料粉末の平均粒径は、誘電体組成物中に含まれる粒子の平均粒径にほぼ等しい。各粒子の平均粒径の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。 In the present invention, since sintering is performed at a lower temperature than before, BaTiO 3 -based particles and high thermal conductivity particles hardly grow during sintering. That is, the average particle diameter of the raw material powder is approximately equal to the average particle diameter of the particles contained in the dielectric composition. The details of the average particle diameter of each particle are as described above, and thus the description thereof is omitted.
［３．２． 成形工程］
次に、原料粉末の混合物を所定の形状に成形する（成形工程）。混合物の成形方法及び成形条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を選択することができる。成形方法としては、例えば、スクリーン印刷法、シート成形法、金型プレス法などがある。
[3.2. Molding process]
Next, the raw material powder mixture is formed into a predetermined shape (forming step). The molding method and molding conditions of the mixture are not particularly limited, and an optimum method and conditions can be selected according to the purpose. Examples of the molding method include a screen printing method, a sheet molding method, and a mold press method.
［３．３． 焼結工程］
次に、成形体を所定の温度で加熱する（焼結工程）。焼結方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。例えば、スクリーン印刷法を用いて成形体を作製した場合、焼結方法は常圧焼結法が好ましい。一方、シート成形法又は金型プレス法を用いて成形体を作製した場合、焼結方法は加圧焼結法が好ましい。
また、高熱伝導粒子を含む誘電体組成物の場合、緻密化しにくいので、焼結方法として加圧焼結法を用いるのが好ましい。
[3.3. Sintering process]
Next, the molded body is heated at a predetermined temperature (sintering step). The sintering method is not particularly limited, and an optimum method can be selected according to the purpose. For example, when a molded body is produced using a screen printing method, the sintering method is preferably an atmospheric pressure sintering method. On the other hand, when a molded body is produced using a sheet molding method or a die press method, the sintering method is preferably a pressure sintering method.
Moreover, in the case of a dielectric composition containing highly thermally conductive particles, it is difficult to make it dense, and therefore it is preferable to use a pressure sintering method as a sintering method.
焼結温度は、ガラスの融点（Ｔm）以上が好ましい。成形体をＴm以上の温度に加熱すると、ガラスが溶融して均一なマトリックスが形成されると同時に、粒子間の空隙にガラスが進入し、緻密化する。焼結温度は、好ましくは、Ｔm＋３０℃以上である。
一方、焼結温度が高すぎると、ガラスとＢａＴｉＯ3との反応により、ポアが生成しやすくなる。従って、焼結温度は、Ｔm＋１００℃以下が好ましい。焼結温度は、好ましくは、Ｔm＋５０℃以下である。
The sintering temperature is preferably equal to or higher than the melting point (T m ) of the glass. When the molded body is heated to a temperature equal to or higher than T m , the glass melts to form a uniform matrix, and at the same time, the glass enters the voids between the particles and densifies. The sintering temperature is preferably T m + 30 ° C. or higher.
On the other hand, if the sintering temperature is too high, pores are likely to be generated due to the reaction between glass and BaTiO 3 . Accordingly, the sintering temperature is preferably T m + 100 ° C. or less. The sintering temperature is preferably T m + 50 ° C. or lower.
［４． 作用］
ＢａＴｉＯ3系粒子は、比誘電率及び耐電圧性に優れている。このようなＢａＴｉＯ3系粒子を適度な融点を持つガラスマトリックス中に分散させると、耐熱性を著しく低下させることなく、低温での焼結が可能となる。
ハイブリッド車やＨＶ車のＰＣＵの使用温度は、３００℃以下である。本発明においては、マトリックスとして低融点のガラスを用いているが、その融点は４００〜８５０℃であるため、ＰＣＵに使用可能な程度の耐熱性を備えている。
[4. Action]
BaTiO 3 -based particles are excellent in relative dielectric constant and voltage resistance. When such BaTiO 3 -based particles are dispersed in a glass matrix having an appropriate melting point, sintering at a low temperature is possible without significantly reducing the heat resistance.
The operating temperature of the PCU in hybrid vehicles and HV vehicles is 300 ° C. or lower. In the present invention, a glass having a low melting point is used as a matrix, and since the melting point is 400 to 850 ° C., it has heat resistance that can be used for PCU.
また、ガラスの熱伝導率は０．７５Ｗ／ｍ・Ｋ程度、ＢａＴｉＯ3系粒子のそれは６Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。そのため、ガラスとＢａＴｉＯ3系粒子のみからなる誘電体組成物では、熱伝導性が不十分となる場合がある。これに対し、このような誘電体組成物に対して、比誘電率がガラスと同等以上の高熱伝導粒子をさらに複合化すると、比誘電率を低下させることなく、高熱伝導粒子無添加の場合と比べて熱伝導性が向上する。そのため、本発明に係る誘電体組成物を用いると、高耐熱性、高耐電圧、及び高熱伝導性に優れたコンデンサを創製することができる。 The thermal conductivity of glass is about 0.75 W / m · K, and that of BaTiO 3 particles is about 6 W / m · K. Therefore, in a dielectric composition consisting only of glass and BaTiO 3 -based particles, thermal conductivity may be insufficient. On the other hand, when such a dielectric composition is further combined with high thermal conductivity particles having a relative dielectric constant equal to or higher than that of glass, the addition of the high thermal conductivity particles without reducing the relative dielectric constant and Compared with the thermal conductivity. Therefore, when the dielectric composition according to the present invention is used, a capacitor excellent in high heat resistance, high withstand voltage, and high thermal conductivity can be created.
（実施例１）
［１． 試料の作製］
出発原料には、ホウケイ酸塩系ガラス粉末、ＢａＴｉＯ3粉末、及びＡｌＮ粉末を用いた（表１参照）。ＢａＴｉＯ3粉末の量が３０ｖｏｌ％一定であり、ＡｌＮ粉末の量が０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、又は６０ｖｏｌ％であり、残部が非晶質のホウケイ酸塩系ガラス粉末からなる４水準の試料を作製した。
Example 1
[1. Preparation of sample]
Borosilicate glass powder, BaTiO 3 powder, and AlN powder were used as starting materials (see Table 1). A 4-level sample in which the amount of BaTiO 3 powder is constant at 30 vol%, the amount of AlN powder is 0 vol%, 20 vol%, 40 vol%, or 60 vol%, and the balance is amorphous borosilicate glass powder Was made.
所定量のガラス粉末、ＢａＴｉＯ3粉末、及びＡｌＮ粉末をポリポットに入れた。さらに、その中にジルコニアボールとエタノールを入れ、ボールミルで４時間混合した。混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、２５０メッシュの篩でふるい、混合粉を得た。その混合粉を金型プレスにて、φ１３ｍｍ、厚さ１ｍｍのペレットに成形した。そのペレットを焼成温度：５５０℃、保持時間：３０分で加圧焼結し、焼結体を得た。 A predetermined amount of glass powder, BaTiO 3 powder, and AlN powder were put in a polypot. Further, zirconia balls and ethanol were put therein, and mixed for 4 hours by a ball mill. The mixture was dried, pulverized in a mortar, and sieved with a 250 mesh sieve to obtain a mixed powder. The mixed powder was formed into pellets having a diameter of 13 mm and a thickness of 1 mm with a mold press. The pellets were pressure sintered at a firing temperature of 550 ° C. and a holding time of 30 minutes to obtain a sintered body.
［２． 試験方法］
得られた焼結体の表面に外部電極となる銀ペーストを焼き付けた。銀ペーストは、樹脂硬化型であり、スクリーン印刷で印刷した。焼き付け条件は、温度：１５０℃、保持時間：３０分とした。作製した試料の比誘電率、ｔａｎδ、及び熱伝導率を測定した。比誘電率及びｔａｎδの測定には、インピーダンスアナライザーを用いた。また、熱伝導率の測定には、熱伝導率測定装置（レーザーフラッシュ法）を用いた。さらに、得られた焼結体のＳＥＭ観察を行った。
[2. Test method]
A silver paste serving as an external electrode was baked on the surface of the obtained sintered body. The silver paste was a resin curable type and was printed by screen printing. The baking conditions were temperature: 150 ° C. and holding time: 30 minutes. The relative permittivity, tan δ, and thermal conductivity of the prepared sample were measured. An impedance analyzer was used to measure the relative dielectric constant and tan δ. Moreover, the thermal conductivity measurement apparatus (laser flash method) was used for the measurement of thermal conductivity. Furthermore, SEM observation of the obtained sintered compact was performed.
［３． 結果］
［３．１． 誘電特性］
図１に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す。加圧焼結法により焼結体を作製した場合において、ＡｌＮ粒子を含まない時には、比誘電率は３１であった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、比誘電率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って小さくなり、ＡｌＮ量４０ｖｏｌ％で１７．５であった。
図２に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す。ｔａｎδは、ＡｌＮの有無に関係なく、０．０２以下と小さかった。
[3. result]
[3.1. Dielectric properties]
FIG. 1 shows the relationship between the amount of AlN and the relative dielectric constant of a dielectric composition composed of 30 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. When a sintered body was produced by the pressure sintering method, the relative dielectric constant was 31 when no AlN particles were included. When AlN particles were added, the relative dielectric constant decreased as the amount of AlN increased, and was 17.5 at an AlN amount of 40 vol%.
FIG. 2 shows the relationship between the amount of AlN and tan δ of a dielectric composition made of 30 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. Tan δ was as small as 0.02 or less regardless of the presence or absence of AlN.
［３．２． 熱伝導特性］
図３に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す。ＡｌＮ粒子を含まない場合、熱伝導率は０．６Ｗ／ｍ・Ｋであった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、熱伝導率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って大きくなった。ＡｌＮ量が４０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は最大値：１．５５Ｗ／ｍ・Ｋとなり、ＡｌＮ無添加の試料に比べて約２．６倍となった。
[3.2. Thermal conductivity characteristics]
FIG. 3 shows the relationship between the amount of AlN and the thermal conductivity of a dielectric composition made of 30 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. When AlN particles were not included, the thermal conductivity was 0.6 W / m · K. When AlN particles were added, the thermal conductivity increased as the amount of AlN increased. When the amount of AlN was 40 vol%, the thermal conductivity was a maximum value: 1.55 W / m · K, which was about 2.6 times that of the sample without addition of AlN.
［３．３． 組織］
図４に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−４０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図４より、ガラスマトリックス中にＢａＴｉＯ3粒子とＡｌＮ粒子が均一に分散していることがわかる。また、ＢａＴｉＯ3とＡｌＮの粒界にガラスが点在しており、ガラスによってＢａＴｉＯ3とＡｌＮが固着されていることがわかる。
[3.3. Organization]
FIG. 4 shows an SEM image (magnification: 10,000 times) of a dielectric composition made of 30 vol% BaTiO 3 -30 vol% borosilicate glass-40 vol% AlN. FIG. 4 shows that BaTiO 3 particles and AlN particles are uniformly dispersed in the glass matrix. Further, a glass interspersed BaTiO 3 and a grain boundary of the AlN, it can be seen that the BaTiO 3 and AlN are fixed by the glass.
（実施例２）
［１． 試料の作製］
実施例１と同様にして、ＢａＴｉＯ3粉末の量が５０ｖｏｌ％一定であり、ＡｌＮ粉末の量が０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、又は４０ｖｏｌ％であり、残部が非晶質のホウケイ酸塩系ガラス粉末からなる３水準の試料を作製した。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、比誘電率、ｔａｎδ、及び熱伝導率の測定、並びに、ＳＥＭ観察を行った。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
In the same manner as in Example 1, the amount of BaTiO 3 powder is constant at 50 vol%, the amount of AlN powder is 0 vol%, 20 vol%, or 40 vol%, and the balance is amorphous borosilicate glass powder. Three levels of samples were prepared.
[2. Test method]
In the same manner as in Example 1, measurements of relative dielectric constant, tan δ, and thermal conductivity, and SEM observation were performed.
［３． 結果］
［３．１． 誘電特性］
図５に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と比誘電率との関係を示す。加圧焼結法により焼結体を作製した場合において、ＡｌＮ粒子を含まない時には、比誘電率は５５であった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、比誘電率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って小さくなった。
図６に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量とｔａｎδとの関係を示す。ｔａｎδは、ＡｌＮの有無に関係なく、０．０２５以下と良好であった。
[3. result]
[3.1. Dielectric properties]
FIG. 5 shows the relationship between the amount of AlN and the dielectric constant of a dielectric composition composed of 50 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. When the sintered body was produced by the pressure sintering method, the relative dielectric constant was 55 when no AlN particles were included. When AlN particles were added, the relative dielectric constant decreased as the amount of AlN increased.
FIG. 6 shows the relationship between the amount of AlN and tan δ of the dielectric composition composed of 50 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. Tan δ was as good as 0.025 or less regardless of the presence or absence of AlN.
［３．２． 熱伝導特性］
図７に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラス−ＡｌＮからなる誘電体組成物のＡｌＮ量と熱伝導率との関係を示す。ＡｌＮ粒子を含まない場合、熱伝導率は０．７Ｗ／ｍ・Ｋであった。ＡｌＮ粒子を添加した場合、熱伝導率は、ＡｌＮ量が多くなるに従って大きくなった。ＡｌＮ量が２０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は１．１Ｗ／ｍ・Ｋとなった。また、ＡｌＮ量が４０ｖｏｌ％の時に、熱伝導率は１．１７Ｗ／ｍ・Ｋとなり、ＡｌＮ無添加の試料に比べて約１．７倍となった。
[3.2. Thermal conductivity characteristics]
FIG. 7 shows the relationship between the amount of AlN and the thermal conductivity of a dielectric composition made of 50 vol% BaTiO 3 -borosilicate glass-AlN. When AlN particles were not included, the thermal conductivity was 0.7 W / m · K. When AlN particles were added, the thermal conductivity increased as the amount of AlN increased. When the amount of AlN was 20 vol%, the thermal conductivity was 1.1 W / m · K. Further, when the AlN amount was 40 vol%, the thermal conductivity was 1.17 W / m · K, which was about 1.7 times that of the sample without addition of AlN.
［３．３． 組織］
図８に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−３０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラス−２０ｖｏｌ％ＡｌＮからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図８より、ガラスマトリックス中にＢａＴｉＯ3粒子及びＡｌＮ粒子が均一に分散していることがわかる。
[3.3. Organization]
FIG. 8 shows an SEM image (magnification: 10,000 times) of a dielectric composition composed of 50 vol% BaTiO 3 -30 vol% borosilicate glass-20 vol% AlN. FIG. 8 shows that BaTiO 3 particles and AlN particles are uniformly dispersed in the glass matrix.
（実施例３）
［１． 試料の作製］
ＢａＴｉＯ3粉末の量を０〜６０ｖｏｌ％、ＡｌＮ粉末の量を０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして混合粉を得た。この混合粉をスクリーン印刷法を用いて成形体とし、成形体を常圧焼結した。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、比誘電率の測定、及びＳＥＭ観察を行った。
(Example 3)
[1. Preparation of sample]
A mixed powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of BaTiO 3 powder was 0 to 60 vol% and the amount of AlN powder was 0 vol%. This mixed powder was formed into a molded body using a screen printing method, and the molded body was sintered at normal pressure.
[2. Test method]
In the same manner as in Example 1, measurement of relative dielectric constant and SEM observation were performed.
［３． 結果］
図９に、ＢａＴｉＯ3−ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＢａＴｉＯ3量と比誘電率との関係を示す。なお、図９には、加圧焼結法により得られた焼結体（実施例１、２）の結果も併せて示した。
加圧焼結体の場合、ほぼ対数混合則に対応する比誘電率を示した。一方、常圧焼結体の場合、ＢａＴｉＯ3量が３０ｖｏｌ％までは、対数混合則と一致した。しかし、それ以上では対数混合則から外れた。要因の一つとして、スクリーン印刷法＋常圧焼結法では、ＢａＴｉＯ3量が高くなると、ガラスによる固着が低くなり、ポアが増えるためと考えられる。
[3. result]
Figure 9, BaTiO 3 - shows the relationship between the BaTiO 3 amount and the relative dielectric constant of the dielectric composition comprising borosilicate glass. In addition, in FIG. 9, the result of the sintered compact (Examples 1 and 2) obtained by the pressure sintering method was also shown collectively.
In the case of the pressure-sintered body, a relative dielectric constant substantially corresponding to the logarithmic mixing rule was shown. On the other hand, in the case of a normal pressure sintered body, the logarithmic mixing rule coincided with the amount of BaTiO 3 up to 30 vol%. But beyond that, it deviates from the logarithmic mixing rule. As one of the factors, it is considered that in the screen printing method + atmospheric pressure sintering method, when the amount of BaTiO 3 is increased, the fixation by the glass is decreased and the pores are increased.
図１０に、３０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−７０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）を示す。図１１に、２０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−８０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：６，０００倍）を示す。さらに、図１２に、５０ｖｏｌ％ＢａＴｉＯ3−５０ｖｏｌ％ホウケイ酸塩系ガラスからなる誘電体組成物のＳＥＭ像（倍率：１０，０００倍）を示す。図１０〜図１２より、ＢａＴｉＯ3量が５０ｖｏｌ％になると、ポアが若干増加していることがわかる。 FIG. 10 shows an SEM image (magnification: 6,000 times) of a dielectric composition made of 30 vol% BaTiO 3 -70 vol% borosilicate glass. FIG. 11 shows an SEM image (magnification: 6,000 times) of a dielectric composition made of 20 vol% BaTiO 3 -80 vol% borosilicate glass. Further, FIG. 12 shows an SEM image (magnification: 10,000 times) of a dielectric composition made of 50 vol% BaTiO 3 -50 vol% borosilicate glass. 10 to 12, it can be seen that when the BaTiO 3 content is 50 vol%, the pores are slightly increased.
（実施例４）
［１． 試料の作製］
出発原料には、４種類のガラス粉末、及びＢａＴｉＯ3粉末を用いた。ＢａＴｉＯ3粉末の量は、１０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、又は３０ｖｏｌ％とした。ガラス粉末には、
（ａ）リン酸塩系ガラス（非晶質）：Ｐ2Ｏ5−Ａｌ2Ｏ3−Ｒ2Ｏ−ＺｎＯ、
（ｂ）ビスマス酸塩系ガラス（非晶質）：ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ、
（ｃ）鉛入りガラス（結晶質）：Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＺｒＯ2、及び
（ｄ）ヴァナジウム系ガラス（主成分：Ｖ2Ｏ3）
を用いた。
Example 4
[1. Preparation of sample]
Four kinds of glass powder and BaTiO 3 powder were used as starting materials. The amount of BaTiO 3 powder was 10 vol%, 20 vol%, or 30 vol%. For glass powder,
(A) Phosphate glass (amorphous): P 2 O 5 —Al 2 O 3 —R 2 O—ZnO,
(B) Bismutate glass (amorphous): SiO 2 —B 2 O 3 —Bi 2 O 3 —ZnO,
(C) Lead-containing glass (crystalline): B 2 O 3 —SiO 2 —ZnO—PbO—ZrO 2 , and (d) Vanadium-based glass (main component: V 2 O 3 )
Was used.
所定量のガラス粉末及びＢａＴｉＯ3粉末をポリポットに入れた。その中にジルコニアボール及びエタノールを入れ、ボールミルで４時間混合した。混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、２５０メッシュの篩でふるい、混合粉を得た。その混合粉とエチルセルロース（バインダ）を容器に所定量入れ、自転・公転ミキサーで混合し、ペーストを得た。そのペーストを用いてスクリーン印刷法により厚膜を印刷した。さらに、厚膜を焼結温度４５０℃、保持時間１０分の条件で常圧焼結し、焼結体を得た。 A predetermined amount of glass powder and BaTiO 3 powder were put in a polypot. A zirconia ball and ethanol were put in it, and it mixed with the ball mill for 4 hours. The mixture was dried, pulverized in a mortar, and sieved with a 250 mesh sieve to obtain a mixed powder. A predetermined amount of the mixed powder and ethyl cellulose (binder) were placed in a container and mixed with a rotating / revolving mixer to obtain a paste. A thick film was printed by screen printing using the paste. Furthermore, the thick film was subjected to normal pressure sintering under conditions of a sintering temperature of 450 ° C. and a holding time of 10 minutes to obtain a sintered body.
［２． 試験方法及び結果］
実施例１と同様にして、比誘電率及びｔａｎδの測定を行った。図１３〜図２０に、その結果を示す。図１３〜図２０より、以下のことが分かる。
（１）リン酸塩系ガラス粉末を用いた焼結体の場合、比誘電率は、ＢａＴｉＯ3の増加に伴って大きくなり、ほぼ対数混合則と一致した。ｔａｎδは、０．０６以下であった。
（２）ビスマス酸塩系ガラス粉末又は鉛入り系ガラス粉末を用いた焼結体の比誘電率及びｔａｎδは、リン酸塩系ガラス粉末を用いた焼結体と同様の傾向を示した。
（３）ヴァナジウム系ガラス粉末を用いた焼結体の場合、比誘電率の対数混合則からの乖離が大きく、ｔａｎδも若干高い。
[2. Test method and results]
In the same manner as in Example 1, the relative dielectric constant and tan δ were measured. The results are shown in FIGS. The following can be understood from FIGS.
(1) In the case of a sintered body using phosphate glass powder, the relative dielectric constant increased with an increase in BaTiO 3 , and almost coincided with the logarithmic mixing rule. Tan δ was 0.06 or less.
(2) The relative permittivity and tan δ of the sintered body using the bismuth salt glass powder or the lead-containing glass powder showed the same tendency as that of the sintered body using the phosphate glass powder.
(3) In the case of a sintered body using a vanadium glass powder, the relative dielectric constant has a large deviation from the logarithmic mixing rule, and tan δ is also slightly high.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る誘電体組成物は、ハイブリッド車やＨＶ車のＰＣＵに用いられるコンデンサの誘電体として使用することができる。 The dielectric composition according to the present invention can be used as a dielectric of a capacitor used in a PCU of a hybrid vehicle or an HV vehicle.
Claims (14)
前記マトリックス中に分散しているＢａＴｉＯ3系粒子と
を備えた誘電体組成物。 A matrix made of glass having a melting point of 400 ° C. or higher and 850 ° C. or lower;
A dielectric composition comprising BaTiO 3 -based particles dispersed in the matrix.
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（１）
５０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ)≦９０ｖｏｌ％ ・・・（２）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ3の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積。 The dielectric composition according to claim 1 satisfying a relationship of the following formulas (1) and (2).
10 vol% ≦ x × 100 / (x + y) ≦ 50 vol% (1)
50 vol% ≦ y × 100 / (x + y) ≦ 90 vol% (2)
However,
x is the volume of the BaTiO 3 contained in the dielectric composition;
y is the volume of the glass contained in the dielectric composition.
前記高熱伝導粒子は、前記ガラス及び前記ＢａＴｉＯ3系粒子よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる
請求項１に記載の誘電体組成物。 Further comprising highly thermally conductive particles dispersed in the matrix;
The dielectric composition according to claim 1, wherein the high thermal conductive particles are made of a high thermal conductive material having a higher thermal conductivity than the glass and the BaTiO 3 based particles.
１０ｖｏｌ％≦ｘ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（３）
１０ｖｏｌ％≦ｙ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦５０ｖｏｌ％ ・・・（４）
２０ｖｏｌ％≦ｚ×１００／(ｘ＋ｙ＋ｚ)≦６０ｖｏｌ％ ・・・（５）
但し、
ｘは、前記誘電体組成物に含まれる前記ＢａＴｉＯ3の体積、
ｙは、前記誘電体組成物に含まれる前記ガラスの体積、
ｚは、前記誘電体組成物に含まれる高熱伝導粒子の体積。 The dielectric composition according to any one of claims 7 to 9, wherein a relationship of the following formulas (3) to (5) is satisfied.
10 vol% ≦ x × 100 / (x + y + z) ≦ 50 vol% (3)
10 vol% ≦ y × 100 / (x + y + z) ≦ 50 vol% (4)
20 vol% ≦ z × 100 / (x + y + z) ≦ 60 vol% (5)
However,
x is the volume of the BaTiO 3 contained in the dielectric composition;
y is the volume of the glass contained in the dielectric composition;
z is the volume of the highly thermally conductive particles contained in the dielectric composition.
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