JP2010129817A - Nonlinear resistance change element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えばバリスタのような非線形抵抗変化特性を備えた非線形抵抗変化素子に関するものである。 The present invention relates to a nonlinear resistance change element having a nonlinear resistance change characteristic such as a varistor.
非線形抵抗変化特性を備えた非線形抵抗変化素子の典型的な例はバリスタである。バリスタは静電気やその他の異常電圧による外来サージやノイズ等を吸収し抑圧するために使用されている。 A typical example of a non-linear resistance change element having a non-linear resistance change characteristic is a varistor. Varistors are used to absorb and suppress external surges and noise caused by static electricity and other abnormal voltages.
バリスタの適用分野の一つは、高速信号ラインの静電気対策であるが、このような用途のバリスタにおいては、バリスタ電圧が低く且つ静電容量が小さな特性が望まれる。静電容量を減少させることを目的として、非線形抵抗体組成物の誘電率を下げたものが特許文献1に開示されている。 One field of application of varistors is countermeasures against static electricity in high-speed signal lines. In such varistors, the characteristics of low varistor voltage and low capacitance are desired. Patent Document 1 discloses a non-linear resistor composition having a reduced dielectric constant for the purpose of reducing the capacitance.
ここで、一般的な従来のバリスタの構造を、図1を基に説明する。
図1(A),図1(B)はいずれもバリスタの素子部分の断面図であり、図1(A)の例では、非線形抵抗体層10と内部電極11,12の積層体を構成し、側面に外部電極13,14を形成している。図1(A)の例では内部電極11,12を交互に積層し、図1(B)の例では内部電極11,12の先端同士が一定距離で突き合わせ状態に配置している。
1A and 1B are cross-sectional views of the element portion of the varistor. In the example of FIG. 1A, a laminated body of the
バリスタ材料には、主に焼結ZnOが用いられる。このZnOは結晶粒径が3μm〜30μm程度である。ZnO自体は低抵抗であるが、粒子間の境界層(結晶粒界)が高抵抗の障壁として存在する。バリスタの抵抗値や静電容量は、電極間に直列につながる結晶粒界による境界層の数で決定される。電極間距離が同じである場合は、結晶粒が大きくなると結晶粒界の数及び境界層の数が減るため、バリスタ電圧(電流が1mA流れるために必要な電圧)が小さくなる。また、等価的な直列コンデンサの数が減るため、静電容量が大きくなる。そのため、バリスタ電圧が小さく静電容量が小さいバリスタを作るには、ZnO材料自体の誘電率を小さくするしかない。 As the varistor material, sintered ZnO is mainly used. This ZnO has a crystal grain size of about 3 μm to 30 μm. ZnO itself has a low resistance, but a boundary layer (grain boundary) between grains exists as a high resistance barrier. The resistance value and capacitance of the varistor are determined by the number of boundary layers formed by crystal grain boundaries connected in series between the electrodes. When the distance between the electrodes is the same, the number of crystal grain boundaries and the number of boundary layers decrease as the crystal grains increase, so that the varistor voltage (voltage necessary for the current to flow 1 mA) decreases. Further, since the number of equivalent series capacitors is reduced, the capacitance is increased. Therefore, the only way to make a varistor with a low varistor voltage and low capacitance is to reduce the dielectric constant of the ZnO material itself.
一般に、ESD・サージ対策部品としてはバリスタ電圧が低い方がよい。特に高速信号ラインに並列に入れる場合には、バリスタの静電容量は小さくなければならない。例えば数GHz帯では1pF未満であることが求められる。そのため、特許文献1に示されている例では、ZnOにガラスを混ぜて、非線形抵抗体の比誘電率を80程度にまで下げている。通常、Pr系ZnOは粒径が大きいので、比誘電率は400〜1200程度である。Bi系ZnOでは、焼結条件次第で比誘電率を200程度にできる。しかしながら、材料の誘電率を下げるだけでは1.1pF程度が限界である。しかも、前述のように誘電率を下げるとバリスタ電圧が高くなり、実用的ではなくなる。 Generally, it is better that the varistor voltage is low as ESD / surge countermeasure parts. In particular, the capacitance of the varistor must be small when it is put in parallel with a high-speed signal line. For example, it is required to be less than 1 pF in the several GHz band. Therefore, in the example shown in Patent Document 1, glass is mixed with ZnO to reduce the relative dielectric constant of the nonlinear resistor to about 80. In general, since Pr-based ZnO has a large particle size, the relative dielectric constant is about 400 to 1200. Bi-based ZnO can have a dielectric constant of about 200 depending on the sintering conditions. However, if only the dielectric constant of the material is lowered, the limit is about 1.1 pF. Moreover, when the dielectric constant is lowered as described above, the varistor voltage increases and becomes impractical.
上述の事情は、図1に示したような積層型バリスタに限らず、ビアに非線形抵抗体を充填してビアの上下の電極間でバリスタ特性を持たせるようにしたものでも同じである。 The situation described above is not limited to the multilayer varistor as shown in FIG. 1, but the same applies to a case where a nonlinear resistor is filled in the via so that the varistor characteristics are provided between the upper and lower electrodes of the via.
このようにバリスタ電圧の低下と静電容量の減少とを両立させることは従来困難であった。 Thus, it has been difficult in the past to achieve both a reduction in varistor voltage and a reduction in capacitance.
そこで、この発明の目的は、トレードオフの関係にある低バリスタ電圧特性と低静電容量特性とが両立する非線形抵抗変化素子を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a non-linear resistance change element that has both a low varistor voltage characteristic and a low capacitance characteristic that are in a trade-off relationship.
前記課題を解決するために、この発明の非線形抵抗変化素子は次のように構成する。
(1)非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による柱状の導電部と、前記導電部の側部の周囲を囲む、前記セラミック材料の誘電率より低い誘電率の絶縁体材料による支持部材と、前記導電部の第1の面と第2の面にそれぞれ導通する、第1の電極および第2の電極と、を備えたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the nonlinear resistance change element of the present invention is configured as follows.
(1) A columnar conductive portion made of a ceramic material having nonlinear resistance change characteristics, a support member made of an insulating material having a dielectric constant lower than the dielectric constant of the ceramic material surrounding the periphery of the side of the conductive portion, It is characterized by comprising a first electrode and a second electrode respectively conducting to the first surface and the second surface of the conductive portion.
(2)前記電極と前記支持部材との間には、前記導電部及び前記支持部材の誘電率より低い誘電率の絶縁体部材を備えてもよい。 (2) An insulator member having a dielectric constant lower than that of the conductive portion and the support member may be provided between the electrode and the support member.
この発明によれば、バリスタ電圧が低く、且つ静電容量が小さい非線形抵抗変化素子が得られる。 According to the present invention, a nonlinear variable resistance element having a low varistor voltage and a small capacitance can be obtained.
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る非線形抵抗変化素子の構成及び製造方法を図2〜図3を参照して説明する。
図2(A)は第1の実施形態に係る非線形抵抗変化素子であるバリスタ101の断面図、図2(B)はその斜視図である。このバリスタ101は、非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による円柱状の非線形抵抗体部21と、この非線形抵抗体部21の側部の周囲を囲む支持部材20と、非線形抵抗体部21の第1の面に導通する第1の電極22及び第2の面に導通する第2の電極23を備えている。
<< First Embodiment >>
The configuration and manufacturing method of the nonlinear variable resistance element according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2A is a cross-sectional view of the
各部の材料と寸法は次のとおりである。
[非線形抵抗体部21]
材料:ZnO
比誘電率:1200
直径D1:100μm
高さH:400μm
[支持部材20]
材料:アルミナセラミックス
比誘電率:10
高さH:400μm
[電極22,23]
幅W:200μm
このように、非線形抵抗体部21の周囲の支持部材20の比誘電率が低いため、第1の電極22と第2の電極23との間の静電容量は小さい。この例では、電極22−23間の静電容量は約0.15pFである。
The material and dimensions of each part are as follows.
[Nonlinear resistor 21]
Material: ZnO
Dielectric constant: 1200
Diameter D1: 100 μm
Height H: 400 μm
[Supporting member 20]
Material: Alumina ceramics Dielectric constant: 10
Height H: 400 μm
[Electrodes 22, 23]
Width W: 200 μm
Thus, since the dielectric constant of the
一方、結晶粒径は20μm程度になるので、結晶粒界の数は400/20=20で、20個程度である。結晶粒界1つ当たりのバリスタ電圧は約3Vであるので、このバリスタ101のバリスタ電圧は約60Vである。
On the other hand, since the crystal grain size is about 20 μm, the number of crystal grain boundaries is about 400/20 = 20. Since the varistor voltage per crystal grain boundary is about 3V, the varistor voltage of the
図3は、図2に示したバリスタ101の製造工程について示す図である。
まず図3(A)に示すように、アルミナセラミックスのマザーボード状態の支持部材20Bに対して複数の孔Hを形成し、図3(B),図3(C)に示すように、孔H内にZnOのスラリーを充填する。このZnOのスラリーは、水または有機溶剤に所望の条件でZnO粉末を分散させたものである。
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the
First, as shown in FIG. 3 (A), a plurality of holes H are formed in the
続いて図3(D)に示すように、マザーボード状態の支持部材20Bの上下面をラップ研磨して非線形抵抗体部21の上下面を平坦化する。その後、図3(E)に示すように上下の全面に、第1の電極22及び第2の電極23の電極となるペーストを塗布し、乾燥させる。
その後、前記ZnOを焼成する。
Subsequently, as shown in FIG. 3D, the upper and lower surfaces of the
Thereafter, the ZnO is fired.
次に、図3(F)に示すように、マザーボード状態の支持部材20Bを素子部分でそれぞれ個片に分割することによってバリスタ101を構成する。
なお、マザーボード状態の支持部材20Bを素子部分でそれぞれ個片に分割した後に前記ZnOを焼成してもよい。
また、マザーボード状の支持部材20Bを先にダイシングしてからZnOスラリーを充填してもよい。
Next, as shown in FIG. 3F, the
The ZnO may be fired after the
Alternatively, the motherboard-
前記個片への分割は、ダイシングソーを用いて行う。その際、支持部材20Bの素子の区切り線となる位置に予めスクラッチ(切り込み溝)を入れておき、それに沿ってダイシングすると加工性が高まる。また、ダイシングソーを用いない場合は前記スクラッチに沿ってブレイクしてもよい。
また、前記スクラッチは、支持部材20Bのセラミック焼結前または焼結後のいずれの状態で形成してもよい。
The division into pieces is performed using a dicing saw. At that time, if a scratch (notch groove) is put in advance at a position that becomes a separation line of the element of the
The scratch may be formed in any state before or after the ceramic sintering of the
《第2の実施形態》
図4は第2の実施形態に係るバリスタ102の断面図である。このバリスタ102は、非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による円柱状の非線形抵抗体部21と、この非線形抵抗体部21の側部の周囲を囲む支持部材20と、非線形抵抗体部21の第1の面に導通する第1の電極22及び第2の面に導通する第2の電極23を備えている。図2に示したバリスタ101と異なり、支持部材20として高誘電率誘電体材料を用い、第1の電極22と支持部材20との間、及び第2の電極23と支持部材20との間に低誘電率の絶縁体部材24,25をそれぞれ形成している。また、絶縁体部材24,25の中央部は開口していて、これらの開口部22P,23Pを介して第1の電極22、第2の電極23が非線形抵抗体部21の両端に導通するようにしている。
<< Second Embodiment >>
FIG. 4 is a cross-sectional view of a
このように、絶縁体部材24,25の開口面積を非線形抵抗体部21の断面積より小さくしたことにより、第1の電極22と第2の電極23との間に直列配置されるZnOの結晶粒界の境界層による等価的なコンデンサの電極面積が減少し、その分、静電容量が減少する。
As described above, the opening area of the
各部の材料と寸法は次のとおりである。
[非線形抵抗体部21]
材料:ZnO
比誘電率:1200
直径D1:100μm
高さH:400μm
[支持部材20]
材料:チタン酸亜鉛
比誘電率:2000
高さH:400μm
[電極22,23]
幅W:200μm
[絶縁体部材24,25]
材料:ガラス
比誘電率:4
厚さT:5μm
貫通孔内径D2:25μm
このように、低誘電率の絶縁体部材24,25を介在させたことにより、第1の電極22と第2の電極23との間の静電容量は小さい。この例では、電極22−23間の静電容量は約0.34pFとなる。
前記絶縁体部材24,25の厚み寸法を10μmとし、その他の条件を前記と同じにすると、前記静電容量は0.31pFとなる。
The material and dimensions of each part are as follows.
[Nonlinear resistor 21]
Material: ZnO
Dielectric constant: 1200
Diameter D1: 100 μm
Height H: 400 μm
[Supporting member 20]
Material: Zinc titanate Relative dielectric constant: 2000
Height H: 400 μm
[
Width W: 200 μm
[
Material: Glass Relative permittivity: 4
Thickness T: 5μm
Through hole inner diameter D2: 25 μm
Thus, by interposing the low dielectric
If the thickness dimension of the
このように低誘電率の絶縁体部材24,25を設けることにより、支持部材20の材料がチタン酸亜鉛等の高誘電率誘電体材料であっても静電容量の十分低いバリスタが構成できる。
By providing the low dielectric
図5は、図4に示したバリスタ102の製造工程を示す図である。
まず図5(A)に示すように、チタン酸亜鉛のマザーボード状態の支持部材20Bに対して複数の孔Hを形成し、図5(B),図5(C)に示すように、孔H内にZnOのスラリーを充填する。このZnOのスラリーは、水または有機溶剤に所望の条件でZnO粉末を分散させたものである。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the
First, as shown in FIG. 5 (A), a plurality of holes H are formed in the
続いて図5(D)に示すように、マザーボード状態の支持部材20Bの上下面をラップ研磨して非線形抵抗体部21の上下面を平坦化する。その後、図5(E)に示すように上下の全面に、非線形抵抗体部21の上下面が部分的に開口された絶縁体部材24,25を形成する。具体的には、ガラスグレーズの厚膜印刷及び焼成によって形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, the upper and lower surfaces of the
その後、図5(F)に示すように、絶縁体部材24,25の表面に第1の電極22及び第2の電極23の電極となるペーストを塗布し、乾燥させる。
その後、前記ZnOを焼成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5 (F), a paste to be the electrodes of the
Thereafter, the ZnO is fired.
次に、図5(G)に示すように、マザーボード状態の支持部材20Bを素子部分でそれぞれ個片に分割することによってバリスタ102を構成する。
なお、マザーボード状態の支持部材20Bを素子部分でそれぞれ個片に分割した後に前記ZnOを焼成してもよい。
前記個片への分割方法に関しては、第1の実施形態で述べた方法を適用する。
Next, as shown in FIG. 5G, the
The ZnO may be fired after the
The method described in the first embodiment is applied to the method of dividing into pieces.
《第3の実施形態》
図6は第3の実施形態に係るバリスタ103の断面図である。この例では絶縁体部材24,25に形成する開口部の内径を非線形抵抗体部21の直径D1と等しくしている。このように、絶縁体部材24,25を支持部材20と電極22,23との間にのみ配置してもよい。
その他の構成及び製造方法は第1・第2の実施形態で示したものと同様である。
<< Third Embodiment >>
FIG. 6 is a cross-sectional view of a
Other configurations and manufacturing methods are the same as those shown in the first and second embodiments.
各部の材料と寸法は次のとおりである。
[非線形抵抗体部21]
材料:ZnO
比誘電率:200
直径D1:100μm
高さH:300μm
[支持部材20]
材料:チタン酸亜鉛
比誘電率:2000
高さH:300μm
[電極22,23]
幅W:300μm
[絶縁体部材24,25]
材料:ガラス
比誘電率:4
厚さT:10μm
貫通孔内径D1:100μm
この構成によれば電極間の静電容量は0.27pFとなる。
The material and dimensions of each part are as follows.
[Nonlinear resistor 21]
Material: ZnO
Dielectric constant: 200
Diameter D1: 100 μm
Height H: 300 μm
[Supporting member 20]
Material: Zinc titanate Relative dielectric constant: 2000
Height H: 300 μm
[
Width W: 300 μm
[
Material: Glass Relative permittivity: 4
Thickness T: 10μm
Through hole inner diameter D1: 100 μm
According to this configuration, the capacitance between the electrodes is 0.27 pF.
図6に示した構造では、電極22,23と非線形抵抗体部21との接合面が広くとれるので、電極間にバリスタ電圧以上の電圧が印加されて導通する際の電極22−23間の降下電圧をより低減できる。
In the structure shown in FIG. 6, since the joint surface between the
《第4の実施形態》
図7は、バリスタ104の製造方法を示す図である。このバリスタ104の基本的な構造は図2に示したバリスタ101と同じである。
まず図7(A)に示すように、板状に広がるベース部21Bに複数の突起部21Aが突出した形状に、非線形抵抗体材料を成形する。
続いて、図7(B)に示すように、ベース部21Bの上面にガラス粉末(グレーズまたはスラリー)を塗布して、マザーボード状の支持部材20Bを形成する。
その後、図7(C)に示すように、支持部材20Bを焼成してガラス化した後、支持部材20の上下面を研削またはエッチングすることにより、ベース部21B及び突起部21Aの先端部分を除去する。
<< Fourth Embodiment >>
FIG. 7 is a view showing a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 7A, a nonlinear resistor material is formed into a shape in which a plurality of
Subsequently, as shown in FIG. 7B, glass powder (glaze or slurry) is applied to the upper surface of the
Thereafter, as shown in FIG. 7C, after the
続いて図7(D)に示すように、支持部材20Bの上下面に第1の電極22及び第2の電極23を塗布・硬化させた後、図7(E)に示すように個片にカットする。
その後、この個片を焼成することによって、図7(E)に示したバリスタ104を構成する。
Subsequently, as shown in FIG. 7D, the
Thereafter, the individual pieces are fired to form the
このようにして、非線形抵抗体部21をプレス成形で形成してもよい。なお、最終的に非線形抵抗体部21となる部分を円錐形状に成形することによって、プレス時の離型が容易になる。
In this way, the
《第5の実施形態》
図8は第5の実施形態に係るバリスタ105の製造方法について示す図である。
図8(A)は製造工程の途中における部材の断面図である。まず図8(A)に示す非線形抵抗体部21として、セラミック型の溝にZnOを充填し、焼結して、直径150μmの針状のZnOを作る。これを溶融ガラスまたは樹脂にディッピングして引き上げ、硬化させることによって、図8(A)に示すような円柱形状の部材を作成する。
<< Fifth Embodiment >>
FIG. 8 is a diagram showing a method for manufacturing the
FIG. 8A is a cross-sectional view of a member in the middle of the manufacturing process. First, as the
その後、図8(B)に示すように、長さ400μmでカットし、そのカットした面の両端に電極22,23を形成する。これにより、第1の実施形態で示したバリスタ101と同様のバリスタ105を構成する。
Thereafter, as shown in FIG. 8 (B), it is cut to a length of 400 μm, and
図8に示した製造方法によれば、支持部材として低誘電率のガラスや樹脂を用いることができるので静電容量の低いバリスタが実現できる。また、図8(A)に示した円柱形状の部材を複数本並列配置して同時に個片にカットすることができ、そのことによって製造コストを削減できる。 According to the manufacturing method shown in FIG. 8, glass or resin having a low dielectric constant can be used as the support member, so that a varistor with low capacitance can be realized. Further, a plurality of columnar members shown in FIG. 8A can be arranged in parallel and cut into individual pieces at the same time, thereby reducing the manufacturing cost.
10…非線形抵抗体層
20…支持部材
20B…マザーボード状の支持部材
21…非線形抵抗体部
21A…突起部
21B…ベース部
22…第1の電極
23…第2の電極
24,25…絶縁体部材
22P,23P…絶縁体部材の開口部
101〜105…バリスタ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記非線形抵抗体部の側部の周囲を囲む、前記セラミック材料の誘電率より低い誘電率の絶縁体材料による支持部材と、
前記非線形抵抗体部の第1の面と第2の面にそれぞれ導通する、第1の電極および第2の電極と、
を備えた非線形抵抗変化素子。 A columnar nonlinear resistor portion made of a ceramic material having a nonlinear resistance change characteristic;
A support member made of an insulating material having a dielectric constant lower than the dielectric constant of the ceramic material, surrounding the periphery of the side of the nonlinear resistor portion;
A first electrode and a second electrode respectively conducting to the first surface and the second surface of the nonlinear resistor section;
A non-linear variable resistance element.
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