JP2010182560A - 電子部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、静電気などの高電圧が入った際の放電開始電圧と抑制電圧が低く、かつ大量に生産した場合でも、個体間の放電開始電圧のバラつきの少ない安定した特性を持つ静電気対策部品の製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】主面に第一の電極を設けた第一の基板と、貫通孔を有する第二の基板とを積層して前記貫通孔から前記第一の電極の少なくとも一部を露出させる第一の積層工程と、前記貫通孔に樹脂材料を充填する充填工程と、主面に第二の電極を設けた第三の基板を、前記第一、第二の電極が対向するように積層する第二の積層工程と、加熱することで前記樹脂材料を除去し前記第一、第二の電極間に一定の空隙部を設ける加熱工程を少なくとも備え、前記第一、第三の基板は予め焼結したセラミック基板とした。
【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に用いる電子部品の製造方法に関する。

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。そのため、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、セラミック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設けた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で形成されている。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、一対の放電用電極を通常数十μｍの間隔を設けて対向させ、これら放電用電極間で侵入してきた静電気を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

上記のギャップ放電素子の放電開始電圧は、放電用電極の間隔に依存しているため、放電開始電圧を安定させるためには放電用電極間の間隔をバラつき無く一定に保たねばならない。しかしながら、従来のグリーンシートから一体焼成する工法では、焼成する際に三次元に収縮するため、その結果、放電開始電圧が個体間でバラつくという問題点があった。

また、静電気対策部品は、被保護対象の機器をより高い電圧から守るために、静電気パルスなどの高電圧が入った後の抑制電圧は低いほど良いが、ギャップ放電素子は、その抑制電圧や高電圧が入った際の放電開始電圧が比較的高いという問題点があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、放電開始電圧と抑制電圧が低く、かつ個体間のバラつきが少ない電子部品の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、主面に第一の電極を設けた第一の基板と、貫通孔を有する第二の基板とを積層して前記貫通孔から前記第一の電極の少なくとも一部を露出させる第一の積層工程と、前記貫通孔に樹脂材料を充填する充填工程と、主面に第二の電極を設けた第三の基板を、前記第一、第二の電極が対向するように積層する第二の積層工程と、加熱することで前記樹脂材料を除去し前記第一、第二の電極間に一定の空隙部を設ける加熱工程を少なくとも備え、前記第一、第三の基板は予め焼結したセラミック基板とした電子部品の製造方法であり、予め焼結した第一、第三のセラミック基板で第二の基板を挟持、積層するので、加熱時に第二の基板が面内方向に収縮することがなく、第二の基板は厚み方向のみに収縮する。その結果、放電用電極である第一、第二の電極間の間隔をバラつきなく、かつ小さくすることができるため静電気などの高電圧が入った際の放電開始電圧と抑制電圧が低く、かつ、放電開始電圧のバラつきが少ない電子部品を製造できるという効果を有する。

本発明の電子部品の製造方法によれば、ギャップ放電素子タイプの静電気対策部品の製造が実現できるとともに、静電気などの高電圧が入った際の放電開始電圧と抑制電圧が低く、かつ大量に生産した場合でも、個体間の放電開始電圧のバラつきの少ない安定した特性を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

（実施の形態）
以下、一実施の形態を用いて、本発明の電子部品の製造方法について説明する。

図１は発明の一実施の形態における静電気対策部品の製造方法を用いて製造した静電気対策部品の断面図を、図２は、図１の静電気対策部品の模式的分解斜視図である。

図１および図２において、１はセラミック素体、１ａおよび１ｂは焼結したセラミック基板、１ｃは貫通孔２ｂを設けたセラミック基板、３および４は貫通孔２ｂを挟み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、５および６は、各放電用電極３、４と接続した端子電極、７は貫通孔２ｂに充填した樹脂材料である。

図１および図２に示すように、本実施の形態における静電気対策部品の製造方法は、予め焼結した第一のセラミック基板１ａの上に放電用電極である第一の電極３を形成し、その上に貫通孔２ｂを形成した第二のセラミック基板１ｃを形成し、貫通孔２ｂの内部に樹脂材料７を充填し、さらにその上に放電用電極である第二の電極４を設けた予め焼結した第三のセラミック基板１ｂを形成する。そして、加熱することによって前記貫通孔２ｂ内の樹脂材料７を大気中に飛散させ除去することで空隙部２ａ（図１）を形成することを特徴とする。そして、本実施の形態における静電気対策部品の製造方法によって得られる静電気対策部品は、セラミック素体１に、放電用電極３および４を有し、その放電用電極３と４は、加熱によって樹脂材料７を大気中に飛散させることによって得られた空隙部２ａを介して対向して構成されている。さらに電気的な接続を得るためにセラミック素体１の側面に構成した端子電極５および６を有することが望ましい。

続いて、本発明の一実施の形態における静電気対策部品の製造方法について図２を用いて説明する。

まず、アルミナを主成分とするセラミック粉末と樹脂バインダ、可塑剤および溶剤からなるセラミックグリーンシートを作製し準備した。この時、これらの生シートの厚みは約２０μｍとした。次に、このセラミックグリーンシートの所定の位置をプレスによりくり抜き、貫通孔２ｂを作製した。尚、この貫通孔２ｂをもつセラミックグリーンシートは、焼成後に第二のセラミック基板１ｃとなるものである。

次に、焼成したアルミナからなる第一、第三のセラミック基板１ａおよび１ｂを用意し、タングステン導体ペーストを用いスクリーン印刷法によってそれぞれ放電用電極となる第一の電極３および第二の電極４となる導体層を形成した。次に、第一の電極３を形成した第一のセラミック基板１ａの所定の位置に前記貫通孔２ｂを設けた第二のセラミック基板１ｃを積層した。この時、少なくとも前記第一の電極３の一部が貫通孔２ｂの底部から露出している必要がある。

次に、スクリーン印刷法を用いて、粒状のアクリル樹脂を含んだペースト状の樹脂材料７を貫通孔２ｂの中に充填するよう印刷した。そして、その上に第二の電極４を形成した第三のセラミック基板１ｂを積層し、積層体ブロックとした。この時、第二の電極４の一部は樹脂材料７と接触する面側になるように配置した。

尚、上記第一、第三のセラミック基板１ａ、１ｂの厚みは約１８０μｍ、第一、第二の電極３、４の厚みは約２．５μｍとし、タングステン導体ペーストのタングステンは、８０重量パーセント以上とした。また、貫通孔２ｂは約２００μｍ角、または約２００μｍ径程度の大きさとした。また、印刷した放電用電極３、４のパターンは、切断した後に図１に示した形状となるように多数個を縦横に配列した。

次に、上記の積層体ブロックを、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、貫通孔２ｂ内の樹脂材料７を大気中に飛散させて除去し、さらに第二のセラミック基板１ｃを焼成し一体化した焼結体である積層体ブロックとした。

続いて上記の積層体ブロックを、第一の電極３および第二の電極４の少なくとも一部が露出するように切断分離して短冊状の積層体ブロックとし、さらに、端面より露出している第一の電極３および第二の電極４と電気的に接続するように、端子電極５および６をそれぞれ導電性樹脂ペーストで形成し、２００℃で硬化させた。

最後に前記短冊状の積層体ブロックを個片に切断分離し、端子電極５、６の部位にニッケル、スズメッキを施して、図１および図２に示した本実施の形態における静電気対策部品を得た。

本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、長手方向寸法が約１．０ｍｍ、幅方向寸法が約０．５ｍｍ、厚み方向寸法が約０．３７ｍｍであった。

なお、上記の製造方法においては、セラミック素体１を形成する方法として、所定の位置に前記貫通孔２ｂを設けたセラミックグリーンシートからなる第二のセラミック基板１ｃを積層することによって形成する方法を説明したが、アルミナを主成分とするセラミック粉末と樹脂バインダおよび溶剤からなるセラミックペーストを作製し準備した後、第一の放電用電極３を形成した第一のセラミック基板１ａの所定の位置に、スクリーン印刷法により貫通孔２ｂを残して前記セラミックペーストを印刷することによって第二のセラミック基板１ｃを形成してもよい。また、その他の方法として、貫通孔２ｂを設けた焼結したセラミック基板を用意し、このセラミック基板を第二のセラミック基板１ｃとして、この第一のセラミック基板１ａおよび第三のセラミック基板１ｃとをセラミックペースト、樹脂バインダおよび溶剤からなるバインダによって接着することによってセラミック素体１を形成してもよい。

また、積層体ブロックの切断方法は、あらかじめ所定の縦横の位置にブレイク用の溝を彫ったセラミック基板を用い、積層体ブロックとした後、短冊状、個片にブレイクを行っても良いし、積層体ブロックをダイシングによって切断してもよい。また、端子電極５、６は、一旦、短冊状の積層体ブロックに切断後に形成したが、個片に切断後に形成してもよい。

尚、本実施の形態における製造方法においては、生産性の面から、図１および２となる静電気対策部品を多数個縦横に配列した積層体ブロックから製造する例を示したが、生産性に問題がないならば、すべてを個片で製造しても構わない。

また、本実施の形態における静電気対策部品の製造方法において、セラミック素体１および第一、第三、第二のセラミック基板１ａ、１ｂおよび１ｃは、アルミナを主成分とするセラミックを選んだが、それ以外にもフォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトなど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。また、焼結温度を低くするためや、焼結助剤として、ガラス成分を含有させてもよい。

また、第一、第二の電極３および４は、タングステン電極を選んだが、銀、銅、アルミニウム、パラジウム、金、ニッケル、チタンや、それぞれの合金を用いてもよい。

また、第一、第二の電極３および４は、スクリーン印刷法によって形成したが、必要に応じてスパッタや蒸着などの方法を用いて形成してもよい。

また、端子電極５および６は、導電性樹脂ペーストにより形成したが、電極ペーストを塗布した後に焼き付けることによって形成しても良いし、スパッタや蒸着などを用いて形成してもよい。

また、端子電極５、６には、銀、銅、アルミニウム、パラジウム、金、チタン、タングステンや、それぞれの合金を用いてもよい。

また、端子電極５および６は部品を実装する際に有利であるため、ニッケル、スズメッキを施したが、実装上問題がなければメッキはなくてもよいし、銅やパラジウム、金などのメッキをしても構わない。

また、本実施の形態における静電気対策部品の製造方法においては、放電用電極３、４がタングステンの場合について説明したので、焼成の雰囲気および温度は、水素を１体積％含む窒素−水素混合雰囲気において１３００℃で焼成としたが、放電用電極３、４の種類によって、たとえば銀を使った場合は大気中で９００℃程度といったように、選択した放電用電極３、４の種類やセラミック素体１のセラミック組成によって、焼成雰囲気や焼成温度は、適宜変える必要がある。

上記の本実施の形態における製造方法にしたがって製造した静電気対策部品は、焼結した第一、第三のセラミック基板１ａ、１ｂを用いるため、加熱によってセラミックペースト、セラミックグリーンシートからなる第二のセラミック基板１ｃのいずれかまたは両方を焼結させる際に、第二のセラミック基板１ｃが面内方向に収縮することなく厚み方向のみに収縮するため、第一、第二の電極間３、４間の間隔、すなわち空隙部２ａの間隔が小さく、かつバラつきが少なく製造される。

次に、本実施の形態の製造方法で静電気対策部品を作製し、空隙部２ａ、すなわち第一、第二の電極３、４間の間隔を測定し、静電気試験を行った結果を示す。比較例として、従来の製造方法で作製した静電気対策部品と対比させている。

先ず始めに、比較例の静電気対策部品の製造方法を図１および図２を用いて説明する。本実施の形態における静電気対策部品の製造方法と異なる点は、以下の部分である。

まず、アルミナを主成分とするセラミック粉末と樹脂バインダ、可塑剤および溶剤からなるセラミックグリーンシートを複数枚準備する。この時、これらの各シートの厚みは約２０μｍとした。次に、このセラミックグリーンシートを複数枚積層することによって、第一、第三のセラミック基板１ａおよび１ｂとした。

次に、これらの第一、第三のセラミック基板１ａおよび１ｂに、タングステン導体ペーストを用いスクリーン印刷法によってそれぞれ放電用電極となる第一、第二の電極３および４を形成した。

次に、別のセラミックグリーンシート（複数枚積層したもの）を１枚準備し、所定の位置をプレス等によりくり抜き、貫通孔２ｂを作製した。

次に、第一の電極３を形成した第一のセラミック基板１ａの所定の位置に、前記貫通孔２ｂを設けた第二のセラミック基板１ｃを積層した。この時、少なくとも前記第一の電極３の一部が貫通孔２ｂの底部から露出している必要がある。

次に、スクリーン印刷法等を用いて、粒状のアクリル樹脂を含んだ樹脂材料７を前記貫通孔２ｂの中に充填するよう印刷した。そして、その上に第二の電極４を形成した第三のセラミック基板１ｂを積層し、積層体ブロックとした。この時、第二の電極４の一部は樹脂材料７と接触する面側になるように配置した。

尚、第一、第二の電極の厚みは約２．５μｍとし、用いるタングステン導体ペーストのタングステン含有率は８０重量パーセント以上とした。また、貫通孔２ｂは約２００μｍ角、または約２００μｍ径程度の大きさとした。また、印刷した第一、第二の電極のパターンは、切断した後に図１に示した形状となるよう、多数個を縦横に配列した。

次に、上記の積層体ブロックを、個片に切断分離した後、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、樹脂材料７を大気中に飛散させて除去し、さらに第一、第二、第三のセラミック基板１ａ、１ｂおよび１ｃを焼成し一体化した焼結体とした。

次に、個片に切断後露出している第一、第二の電極３および４に電気的に接続するように、端子電極５および６を、導電性樹脂ペーストを塗布することによって作製し、２００℃で硬化させた。続いて、端子電極５、６の部位にニッケル、スズメッキを施して、比較例とする静電気対策部品を得た。

比較例の静電気対策部品は、長手方向寸法が約１．０ｍｍ、幅方向寸法が約０．５ｍｍ、厚み方向寸法が約０．３８ｍｍであった。比較例の静電気対策部品は、焼成時に各セラミック基板１ａ、１ｂ、１ｃ等が焼結により三次元全方向に収縮するため、製造した静電気対策部品の大きさがバラつくとともに、特に空隙部２ａ、すなわち第一、第二の電極３、４間の間隔が大きくバラつくこととなる。

以下に上記の比較例と、本実施の形態で製造した静電気対策部品をそれぞれ２０個ずつ無作為に選び、その外形寸法および空洞部の厚みを測定した結果を（表１）示す。

本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、比較例による静電気対策部品と比べて外形寸法公差が小さいことが判る。長辺方向、幅方向の寸法は、焼結した第一、第三のセラミック基板１ａ、１ｂを用いているため焼成時の収縮がほとんど起こらず、バラつきが非常に小さく安定している。また、第二のセラミック基板１ｃが収縮する厚み方向においても比較例よりバラつきの小さい結果になっている。これは比較例が、未焼結のセラミックグリーンシートを用いているためであり、厚みバラつきや場所による密度バラつきが、セラミック素体１（図１）すべての場所に生じるためである。一方で本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、第一、第三のセラミック基板１ａ、１ｂに予め焼結させたものを用いるので、厚みバラつきや場所による密度バラつきは第二のセラミック基板１ｃにのみ生じるからであると考えられる。

また、空隙部２ａ、すなわち第一、第二の電極３、４間の間隔は、同じ厚みのセラミックグリーンシートから作製したにも関わらず、比較例と比べ約三分の二程度となっており、さらに厚みバラつきも少ない。これは、本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、焼結時の収縮が厚み方向のみに起こるため、三次元に収縮する比較例と比べ収縮率が大きくなるためであり、さらに、空隙部２ａ（貫通孔２ｂ）の上下を予め焼結したセラミック基板１ａ、１ｂで拘束されているためと考えられる。

次に、本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品と比較例について、静電気試験を行い評価した。

静電気試験は、ＩＥＣ６１０００−４−２が定めるヒューマンボディモデル（充電容量：１５０ｐＦ、放電抵抗：３３０Ω、接触放電）に準じて図３に示す回路により行った。スイッチ１０３を接続して直流電源１０１より抵抗１０２を介し所定の電圧を印加して、静電容量１５０ｐＦの容量ボックス１０４に電荷をチャージした後、スイッチを切り替えてスイッチ１０３を開放しスイッチ１０５を接続して、容量ボックス１０４にチャージした電荷を静電気パルスとして、抵抗１０６を介して信号ライン１０８を通して被保護機器１１０に印加するというものである。

そして、図３に示すように、本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、評価試料１０９として、入出力用外部電極２０２を信号ライン１０８側に接続し、グランド用外部電極２０３をグランドライン１０７に接続した。

そして静電気パルスを印加した時の、被保護機器１１０の直前の信号ライン１０８とグランドライン１０７間の電圧波形を測定することにより、静電気パルスをバイパスさせて被保護機器１１０に印加される電圧を抑制する効果、つまり、評価試料１０９である静電気対策部品の静電気放電に対する吸収抑制効果を評価した。

静電気に対する吸収抑制効果は、図３に示す静電気試験回路により、それぞれの静電気対策部品が、印加された静電気パルスを抑制しはじめる時の静電気パルスの電圧値を比較すること、およびそれぞれに８ｋＶの静電気パルスを印加した場合の抑制電圧のピーク電圧値の比較によって確認した。静電気対策部品が、静電気パルスを抑制しはじめる時の電圧は、印加する静電気パルスの電圧を１ｋＶから０．５ｋＶ刻みでステップアップしていき、静電気パルスを抑制した一番低い静電気パルスの電圧値を記録した。

（表２）に、本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品と比較例をそれぞれ２０個ずつ無作為に選び、静電気パルスを抑制しはじめる電圧および８ｋＶの静電気パルスを印加した場合の抑制電圧のピーク電圧値を示す。

本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品は、比較例と比べて、放電開始電圧が低く安定しており、また、８ｋＶを印加した際のピーク電圧値も低い値になっており、静電気対策部品としてより優れた特性を示している。本実施の形態における静電気対策部品の製造法や比較例によるギャップ放電素子タイプの静電気対策部品は、静電気パルスを放電し始める電圧や、静電気パルスのピーク電圧値は、空隙部２ａ、すなわち第一、第二の電極３、４間の間隔に依存する。このため、空隙部２ａが小さく（第一、第二の電極３、４間の間隔が狭小であること）、一定している本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製した静電気対策部品の方が、比較例と比べて、放電開始電圧が低く安定し、かつピーク電圧値が低いと考えられる。

以上のように、本実施の形態における静電気対策部品の製造法によって作製したギャップ放電素子タイプの静電気対策部品は、静電気パルスが印加された際の放電開始電圧が低く安定しているため、被保護機器である電子機器等に静電気が入った時、より低い電圧印加で動作し、さらにそのバラつきも少ないため、より安定して静電気から守る事ができる。

さらに、静電気パルスが印加された際のピーク電圧も低いため、被保護機器に与えるダメージは少なく、故障や誤作動といったトラブルから被保護機器を守る事ができる。

なお、本実施の形態における静電気対策部品の製造法は、１つの部品に１素子を形成した構成について説明したが、必要に応じ所望の寸法と性能の範囲で、２連や４連のアレイなど複数の素子を内蔵したアレイ品として構成することもできる。

以上のように、本発明にかかる静電気対策部品の製造方法は、静電気などの高電圧が入った際の放電開始電圧と抑制電圧が低く、かつバラつきが少ないギャップ放電素子タイプの静電気対策部品を製造できるため、携帯電話やＡＶ機器などの電子機器を静電気パルスによる破壊や誤作動から保護する部品として特に有用である。

本発明の製造方法より作製した静電気対策部品の一例を説明する断面図 同静電気対策部品の模式的分解斜視図 本発明の実施の形態における静電気試験の回路図

１ セラミック素体
１ａ、１ｂ 第一、第三のセラミック基板
１ｃ 第二のセラミック基板
２ａ 空隙部
２ｂ 貫通孔
３、４ 第一、第二の電極（放電用電極）
５、６ 端子電極
７ 樹脂材料
１０１ 電源
１０２、１０６ 抵抗
１０３ １０５ スイッチ
１０４ 容量ボックス
１０７ グランドライン
１０８ 信号ライン
１０９ 評価試料
１１０ 被保護機器
２０１ 静電気対策部品
２０２ 入出力用外部電極
２０３ グランド用外部電極

Claims (3)

1. 主面に第一の電極を設けた第一の基板と、貫通孔を有する第二の基板とを積層して前記貫通孔から前記第一の電極の少なくとも一部を露出させる第一の積層工程と、
   前記貫通孔に樹脂材料を充填する充填工程と、
   主面に第二の電極を設けた第三の基板を、前記第一、第二の電極が対向するように積層する第二の積層工程と、
   加熱することで前記樹脂材料を除去し前記第一、第二の電極間に一定の空隙部を設ける加熱工程を少なくとも備え、
   前記第一、第三の基板は予め焼結したセラミック基板とした電子部品の製造方法。
2. 第二の基板は、未焼結のセラミック基板である請求項１に記載の電子部品の製造方法。
3. 加熱工程において、樹脂材料を除去するとともに第二の基板を焼結して第一、第三の基板と一体化する請求項２に記載の電子部品の製造方法。

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