セラミックス材料を扱うための実践的な総合知識

スマートフォンなどの小型電子機器から、自動車のEV化、自動運転化、また、5G、IoTの進展に伴い、生活のあらゆる分野で、積層セラミックコンデンサ (MLCC) に代表される積層セラミック電子部品はその需要の大幅な増大が見込まれています。さらに最近ではAIサーバ – やAIエッジデバイスの需要拡大も加わり、今後もさらなる需要増大が期待されています。 　積層セラミック電子部品の小型化、高性能化は用いるセラミックス材料の材料設計、製造プロセスに負うところが大きく、また、スラリーの分散、シート成形、焼成工程などセラミックス製造プロセス技術の高度化によるところも大きいのですが、ノウハウの世界が多く、開発の中で躓いてしまう、教科書では学べない世界でもあります。 　本セミナーでは、積層セラミック電子部品の生産や開発に直接に携わる技術者、研究者の方、およびセラミック材料、電極材料、有機バインダー材料、有機溶剤など積層セラミック電子部品に関係する素材の技術者、研究者の方にMLCCの製造プロセス技術を例に、セラミック製造に必要な要素技術、積層セラミック製造プロセス技術を概説します。まずは、電子セラミックスの設計として、相図、粒成長などセラミックスの焼結性、粒界の役割を説明し、次に積層セラミック製造プロセス技術として、セラミックスラリーの組成設計から、内部電極ペースト、電極印刷、積層、脱バインダー/焼成工程など、最近の技術動向を踏まえて、製造プロセス上のポイントを学習できるようにしています。以上、積層セラミック電子部品の開発に必要な材料の基礎知識から重要な積層セラミック製造工程まで、トータルな視点で理解することで、個々の担当技術課題が明らかになると考えています。このセミナーで全体像を理解して頂き、積層セラミック電子部品に直接ないし間接的に係わる技術者の日々の技術的な課題に対して、ご参考になれば幸甚です。

1. 前半部
   • 積層セラミック電子部品に用いられる酸化物セラミックスでは、原料粉末から焼結体になる過程での、
     焼結性、粒成長、粒界の影響が大きく、積層セラミック電子部品の電気特性を左右します。一部、MLCCを例に取り、
     積層電子セラミックの製造プロセスの中で、セラミックスの本質である焼結性、焼結体の構造に関して、
     説明していきます。
   1. 積層セラミックス電子部品の概要
      • 電子セラミックスの種類、組成
      • 内部電極組成と平衡酸素分圧
      • チップ形状変遷
      • 素子の薄層化
   2. セラミックスの基礎知識
      • セラミックスの微構造、結晶構造、粒界構造、単位格子
      • セラミックスの焼結現象、粒成長、物質移動
      • 相平衡と状態図、全率固溶系、共晶系、包晶系、SiO2系焼結助材の相図、
      • セラミック原料粉末の製法、微細粒子化
   3. セラミックスの焼結時の粒成長とその影響
      • 粒成長する系、粒成長しない系
      • 不均一歪み、応力、特性への影響例 (BT系での比誘電率温度特性)
   4. 粒成長するセラミックス
      • MLCC用F特性BTの例、製造プロセスの例、シフター、デプレッサー
      • 積層サーミスタ、積層バリスタ、積層インダクタ
      • 降温時の粒成長、高温時の機械的特性
   5. 粒成長が見られないセラミックス
      • MLCC用B特性BT、製造プロセスの例、添加元素の分散、
      • コアシェル構造、温度特性の平滑化、粒成長の影響
   6. 粒界の役割
      • 対応粒界モデル、格子静力学シミュレーション、酸素空孔の安定性、
      • 酸素の拡散、異種元素の偏析、長期信頼性、粒界のない場合
   7. 脱バインダーと焼成プロセス
      • 焼成プロフィール、金属の酸化、酸化物の還元、平衡酸素分圧、酸素分圧制御、
      • 残留炭素、酸素空孔生成、アニール処理、ネック成長、高速焼成
2. 後半部
   • 積層セラミック電子部品を製造する際に、製品の品質、および長期信頼性に影響する主な
     製造プロセスでの技術ポイントを示し、技術課題や対応策を概説します。
   1. 積層セラミック電子部品の製造プロセス概要
      • 積層コンデンサ (MLCC) 、積層インダクタ、積層サーミスタ、積層バリスタ、積層圧電体、全固体電池
   2. スラリーの分散
      • 分散方法、ボールミル、回転速度、ビーズミル、ビーズ径、周速
      • スラリーの分散性評価、沈降体積、比表面積と粒径
      • 粒度分布、測定、メディアン径、個数基準、体積基準
   3. シート成形
      • 乾燥ゾーン、恒率乾燥、ベナードセル、
      • シート表面粗さ、添加物の分散性、信頼性への影響
   4. スラリー組成
      • 可塑剤、分散剤、顔料容積比 (PVC) 、CPVC
      • 吸着バインダー、フリーなバインダー、シート強度
      • シートの靭性、バインダーと可塑材の比
      • 凝集構造、チクソトロピー、
   5. 剥離・積層
      • 面剥離、線剥離、温間等方プレス (WIP) 、シート密度の影響
   6. 内部電極ペーストの設計 (MLCCを例に)
      • 内部電極の薄層化、焼結性、収縮、カバレッジ
      • 微粒Ni粉 CVD法、PVD法、液相法
      • Niペースト組成、内部電極印刷、塗布形状、シートアタック、ネガパターン印刷
      • 内部電極収縮、共材の効果、表面コーティング
   7. 外部電極形成
      • バレル研磨、焼成前バレル、焼成後バレル、塗布方法、浸漬法、
      • 外部電極の構成、
      • 電解めっき、めっき応力、Snウイスカー
   8. 積層セラミック電子部品の故障要因
      • ボイド、剥離、クラック、クラック対策
      • 耐湿不良、マイグレーション
      • 故障解析手順、不良解析例、電界集中
3. 質疑応答