JP2009212037A - 静電気対策部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高電圧の静電気を繰り返し印加してもオープン、ショート、性能低下の恐れの少ない高性能かつ高信頼性の静電気対策部品を提供することを目的としている。
【解決手段】素体１の内部に埋設した空洞部２と、この空洞部２を介して対向した一対の放電用電極３、４と、この放電用電極３、４と接続した端子電極５、６とを備え、放電用電極３、４と端子電極５、６はいずれもタングステンを８０重量パーセント以上の金属材料とした構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電気対策部品、特に信号ラインに侵入する静電気を吸収するための静電気対策部品に関する。

近年、携帯電話など電子機器の小型化、高性能化の要望に応えるため、ＩＣのさらなる微細化、高集積化が進んでいるが、一方で耐電圧が低下している。人体と電子機器の端子などが接触したときに発生する静電気放電サージのようにエネルギーの小さいサージでも、ＩＣの破壊や誤動作が発生するようになった。

対策として、静電気が侵入してくる配線とグランド間に静電気対策部品を設け、静電気をバイパスさせＩＣに印加される高電圧を抑える方法が行われている。静電気対策部品は、通常の状態では高抵抗値で電気を流さず、静電気などの高圧信号の侵入により抵抗値が低くなり電気を流す特性を示す部品である。このような特性を有する静電気対策部品としては、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ、ギャップ放電素子などが知られている。

従来の静電気対策部品としてのギャップ放電素子は、素体に空洞部を設け、この空洞部を介して対向するように一対の放電用電極と、各々の放電用電極に接続する端子電極とが形成されている。通常はオープン状態であるが、静電気などの高電圧電流が侵入すると、空洞部内で放電し電流が流れる。

このような、ギャップ放電素子は、通常数十μｍのギャップ間隔で隣接する一対の放電用電極を備え、侵入してきた静電気をギャップ間で放電させる方式であり、特許文献１、２に開示されている。
特開平１−１０２８８４号公報 特開平１１−２６５８０８号公報

ギャップ放電素子は、ツェナーダイオード、積層チップバリスタと比較して寄生静電容量値が根本的に小さい。寄生静電容量値が高くなると、高速信号を取り扱う回路では信号品質を劣化させるため、静電気対策部品の寄生静電容量値は低い方が望ましいためギャップ放電素子は有利である。また、空洞部は気体であるため、高電圧の静電気が印加されても放電部は破壊されないという点で有利である。

しかし、高電圧の静電気が複数回連続して印加されると、静電気対策部品がオープン状態になったり、ショートしたり、あるいは性能低下が生じるという課題を有していた。

静電気対策部品がオープン状態になるのは、放電用電極自体が断線したり、放電用電極と端子電極との接続部が外れてしまうことにより生じている。前者は高電圧の静電気の複数回印加による衝撃により放電用電極が破壊されてしまい、後者は端子電極と放電用電極の接続部においてはインピーダンスが大きく変化するため大きな負担がかかることがその原因と考えられる。

また、ショートが生じるのは、高電圧の静電気が連続して繰り返し印加されることにより放電用電極が溶け出し、対向する放電用電極に接触したり、放電用電極が溶け出さない場合であっても素体から剥がれて対向する放電用電極に接触するためである。これらは、前者においては、静電気は放電時において、瞬間的に２５００℃以上の高温に達することもあり、これにより放電用電極が溶け出したことが原因と考えられ、後者においては、繰り返される高電圧の静電気による熱衝撃が、放電用電極と素体との間の密着性を低下させたことが原因と考えられる。

そして性能低下は、放電用電極自身や、放電用電極と端子電極との接続部において完全に断線しないまでも一部が断線等したり、あるいは衝撃や熱等のダメージを受けることにより特性が変化することによって生じるものと考えられる。

本発明は上記問題点を解決するもので、高電圧の静電気を繰り返し印加してもオープン、ショート、性能低下が生じない高性能かつ高信頼性の静電気対策部品を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、特に、放電用電極と端面電極をいずれもタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属材料で形成することとした構成である。

本発明によれば、放電用電極と端面電極をいずれもタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属材料で形成しているので、高電圧の静電気を繰り返し印加してもオープン、ショート、性能低下の恐れの少ない、高性能かつ高信頼性の静電気対策部品を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態における静電気対策部品について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における静電気対策部品の断面図である。本発明の一実施の形態における静電気対策部品は、素体１と、この素体１の内部に埋設した空洞部２と、この空洞部２の内部において一定の間隔をもって互いに対向配置した一対の放電用電極３、４と、この放電用電極３、４と接続した端子電極５、６とを備えている。

素体１は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうち選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を主成分として含有する絶縁体が望ましい。これらの絶縁体は、比誘電率が１５以下と低く、寄生容量値を低減できるからである。

一対の放電用電極３、４と端子電極５、６は、タングステンを８０重量パーセント以上含有する金属で形成している。

次に上記静電気対策部品の製造方法について説明する。

まず、セラミック絶縁体からなる第１グリーンシート上に複数の第１金属層を形成し、これらの第１金属層上に樹脂ビーズを含有する樹脂ペーストを形成、この樹脂ペースト上に第２金属層をさらに形成する。

第１、第２金属層は導電性ペーストであって、第１、第２金属層および樹脂ペーストをスクリーン印刷することによって、各々、パターニング形成して乾燥させている。

次に、樹脂ペーストを介在した第１、第２金属層を被覆するように、第１グリーンシート上にセラミック絶縁体からなる第２グリーンシートを積層する。

次に、これらを切断して複数の個片に分離する。分離された各々の個片は、樹脂ペーストを介在した第１、第２金属層が、第１、第２グリーンシートの間に配置されている。

これら各個片の両側面に露出している第１、第２金属層の端部に接続するように、個片側面に導電性ペーストを塗布し乾燥することによって、第１、第２端子金属層を形成する。このとき第１、第２金属層および端子金属層はいずれも、タングステンを８０重量パーセント以上含有した金属層としている。

これらの個片を水素を１体積％含む窒素−水素混合雰囲気において、１３００℃で一体焼成することによって、樹脂ペーストが揮発し、空洞部２を埋設した素体１が形成されるとともに、樹脂ペーストを介して対向配置させた第１、第２金属層が空洞部２の内部で対向する一対の放電用電極３、４として形成される。また素体の側面に端子電極５、６が形成され、放電用電極３、４と接続している。この際、焼成後に、素体１の外形寸法が２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．８ｍｍ、空洞部における放電用電極の対向面積が０．５ｍｍ²、空洞高さが１２μｍとなるように設計している。

上記製造方法において、第１、第２のグリーンシートは、フォルステライトの粉末とバインダ樹脂、可塑剤を溶剤によって混合し、一般的なドクターブレード法等により、厚み約５０μｍに成形したフォルステライトグリーンシートを用いており、樹脂ペーストは、アクリルビーズとアクリル系樹脂を混練して形成したペーストを用いている。樹脂ペーストとして、アクリルビーズとアクリル系樹脂を用いているのは、アクリル系樹脂が他の樹脂と比較して低温で分解しやすいため、空洞部周辺の欠陥が発生しにくいという効果があるからである。他の樹脂であってもさらに低温で分解しやすい樹脂であれば特に限定するものではない。

また素子の辺、角は製造工程中や実装工程において欠けたりする恐れがあるため、面取りしておく方が好ましいが、この面取り工程は、素子の両側面に端子金属層を塗布する工程の前に行うのが、より好ましい製造方法である。端子電極が形成された焼結素体を面取りすると、端子電極が形成されている辺、角部分の面取りが難しくなるためである。面取り工法としては、各個片に切断した端子金属層形成前の素子を、セラミックボールとともに回転・混合する方法がある。このとき素子を可塑剤が飛散しバインダ樹脂が飛散しない温度で熱処理しておくと、効率的に面取りができるが、その方法については特に限定しない。

また、第２のグリーンシートは、複数のグリーンシート層を積層して形成してもよい。例えば、第１グリーンシート上の樹脂ペーストの周囲に、グリーンシート層を積層し、その後、第２金属層を介して、樹脂ペースト上およびグリーンシート層上に、他のグリーンシート層を積層する工程としてもよい。

タングステンを主成分とする金属を１３００℃で焼結した場合、端子電極３、４の緻密性が十分でなく、湿度に対する信頼性を向上させるため、端子電極を覆うように、二次端子電極７、８を形成した方が好ましい（図２）。これら二次端子電極は、銀ペーストや銀パラジウムペーストを塗布して、６００〜８００℃の温度で焼きつけて形成してもよいが、より好ましい例としては導電性樹脂ペーストを塗布し、１５０〜２００℃で硬化させるのがよい。金属よりも樹脂の方が柔軟性があり、高電圧のＥＳＤ印加による衝撃を吸収し、端子電極の破壊を抑えることができる。二次端子電極に用いる導電性樹脂としては、電気抵抗率が低く、緻密に硬化し、素体との密着性が高いものが望ましく、銀粉とエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂との混合材料があげられるが、特に限定しない。

さらに端子電極の半田耐熱性、半田濡れ性を向上させるため、図３のように二次端子電子電極の表面にニッケルメッキ膜９、１０、その上にスズメッキ膜１１、１２を形成するのがより好ましいが、本発明では特に限定しない。

次に、上記構成の静電気対策部品の評価方法について説明する。図４に示すような試験回路において、静電気放電試験を行った。静電気放電ガン２２から静電気放電（ＩＥＣ−６１００−４−２、８ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ω）し、回路に接触印加する。静電気放電電流の大部分はグランドへ流れ、デジタルオシロスコープ２３には抑制後の静電気波形が観測される。観測される波形の例を図５に示す。初期に高電圧のピークが観測され、その後すぐに減衰する。このピーク電圧を抑制ピーク電圧とする。抑制ピーク電圧は、低ければ低いほど静電気対策部品２１の放電性は良好で、優れた静電気対策部品となる。また静電気放電を２５０回まで繰り返し印加し、繰り返し試験前後の静電気対策部品２１の直流５０Ｖに対する絶縁抵抗値を測定した。

放電用電極および端子電極の金属組成を変えた静電気対策部品２１を上記の方法で作製し、静電気放電２５０回繰り返し試験前後の抑制ピーク電圧値と絶縁抵抗値の変化の関係を検討した結果を（表１）に示す。なお二次端子電極にはエポキシ系樹脂銀電極を用い、ニッケルメッキ、スズメッキ膜を形成した。

サンプルａ〜ｉは放電用電極および端子電極にＷを主成分とする金属を用いて検討した結果である。いずれも静電気放電２５０回繰り返し試験前後で抑制ピーク電圧値と絶縁抵抗値ともにほとんど変化がなく安定している。一方端子電極にＡｇまたはＣｕを用いたサンプルｊ、ｋでは、静電気放電繰り返し試験によって抑制ピーク電圧値が１０００ｖ以上と高くなってしまっている。静電気放電繰り返し試験によって放電用電極と端子電極接続部が外れてしまっていることを断面研磨観察によって認められ、オープン不良になっていることを確認した。またサンプルｌは放電用電極、端子電極にＰｔを用いて検討した結果であるが、静電気放電繰り返し試験によってショートしてしまっている。静電気放電の温度は２５００〜３０００℃と言われており、放電用電極３、４の融点がタングステン系金属のように同等もしくはそれ以上であれば、繰り返し放電によってもショートしないものと考えられる。

次に静電気放電繰り返し試験の、繰り返し回数を５００回に増やしたときの抑制ピーク電圧値と絶縁抵抗値の変化について検討した。結果を（表２）に示す。

放電用電極、端子電極のどちらにもＷ＝１００重量パーセントの金属を用いたサンプルａでは、抑制ピーク電圧が７５０Ｖと若干高くなってしまっている。放電用電極と端子電極の接続部を断面研磨観察したがオープン不良は認められなかったため、静電気放電の衝撃により接続部の一部が外れ、抵抗値が高くなっているものと推定される。

一方タングステンに銅または銀を２〜２０重量パーセント混合したサンプルｂ、ｃ、ｅ、ｆ、ｇ、ｉでは、繰り返し回数を５００回と増やしても抑制ピーク電圧値と絶縁抵抗値に変化はない。タングステンに銅または銀を添加することにより金属層の一部が低融点化し、放電用電極と端子電極の接着力、およびそれぞれの電極とセラミック素子との接着力が向上したためと推定される。

さらに銀または銅の混合量を２５重量パーセントと増やしたサンプルｄ、ｈでは絶縁抵抗値が１０⁸Ω台以下に低下している。これは放電用電極の一部が溶融し、空洞内で対向する放電用電極の一部分でわずかながらショートし始めているのではないかと推定される。以上の結果から、放電用電極および端面電極は、タングステンを８０重量パーセントから９８重量パーセント、銅または銀のいずれかを２重量パーセントから２０重量パーセントを含む金属材料であることが好ましい。

なお本実施の形態ではタングステンと混合する金属を上記の理由で銅または銀に限定した。しかし、同様の効果が得られる金属であれば問題ないことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる静電気対策部品は、電圧の静電気を繰り返し印加してもオープン、ショート、性能低下の恐れが少ない高性能、高信頼性であるため、静電気対策が要求される各種機器、デバイスに広く適用できる。

本発明の一実施の形態における静電気対策部品の断面図 本発明の一実施の形態における静電気対策部品の断面図 本発明の一実施の形態における静電気対策部品の断面図 静電放電試験方法の説明図 入力ＥＳＤ電圧に対するＥＳＤ抑制ピーク電圧の関係を示す特性グラフ

符号の説明

１ 素体
２ 空洞部
３、４ 放電用電極
５、６ 端子電極
７、８ 二次端子電極
９、１０ ニッケルメッキ膜
１１、１２ スズメッキ膜
２１ 静電気対策部品
２２ 静電気放電ガン
２３ デジタルオシロスコープ

Claims (7)

1. 素体と、前記素体の内部に埋設した空洞部と、前記空洞部を介して一定の間隔をもって互いに対向配置した一対の放電用電極と、前記放電用電極とそれぞれ接続し素体の端面に形成した一対の端面電極を少なくとも備え、
   前記放電用電極と前記端面電極はいずれもタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属材料からなることを特徴とする静電気対策部品。
2. 前記放電用電極および端面電極は、タングステンを８０重量パーセントから９８重量パーセント、銅または銀のいずれかを２重量パーセントから２０重量パーセントを含む金属材料であることを特徴とする請求項１記載の静電気対策部品。
3. 前記端面電極を覆うように、二次端面電極層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電気対策部品。
4. 前記二次端面電極層は、銀を主成分とする金属粉と熱硬化性樹脂との混合材料であることを特徴とする請求項３記載の静電気対策部品。
5. 前記素体は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうち選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を含有する絶縁体であることを特徴とする請求項１記載の静電気対策部品。
6. 請求項１に記載の静電気対策部品を製造する方法であって、前記第１、第２端面電極と、内部に空洞部を形成した素体および放電用電極は、一体焼成されることを特徴とする静電気対策部品の製造方法。
7. 前記第１、第２端面電極を形成する前に、焼成前の積層体を面取りする工程を含むことを特徴とする請求項６記載の静電気対策部品の製造方法。

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