JP2011114187A

JP2011114187A - 過電圧保護部品

Info

Publication number: JP2011114187A
Application number: JP2009269741A
Authority: JP
Inventors: Hideki Iwao; 英樹岩尾; Takeshi Izeki; 健井関; Koichi Yoshioka; 功一吉岡; Hideaki Tokunaga; 英晃徳永
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】より動作開始電圧が低く、過電圧の印加によるダメージの少ない過電圧保護部品を提供するものである。
【解決手段】本発明の過電圧保護部品８は、第１の放電電極２と、第１の放電電極２と互いに対向する第２の放電電極４と、第１の放電電極２と第２の放電電極４の間に設けられた過電圧保護部３とを備え、過電圧保護部３は、通常の場合には絶縁体として機能し、過電圧が印加された場合にはこの過電圧に起因する電流を流し、過電圧保護部３は、酸化カルシウム、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選択される少なくとも一つのカルシウム化合物と金属導体とを必須の成分とし、前記金属導体を３０重量％〜６５重量％、前記カルシウム化合物中に存在するカルシウムを５重量％以上含有しているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器を静電気やサージ等から保護する過電圧保護部品に関するものである。

近年、電子機器の小型化、高性能化が急速に進み、それに伴い電子機器に用いられる電子部品の小型化も急速に進んでいる。しかしながら、その反面、この小型化に伴って電子機器や電子部品の静電気やサージ等の過電圧に対する耐性は低下しており、その対策として過電圧保護部品が使用されている。過電圧保護部品は、過電圧から保護したい電子部品や電気回路と電気的に並列に接続させ、通常時は電気を通さないが、過電圧印加時には電気を通すことで過電圧による電流が電子部品に流れることを防止するものである。

このような過電圧保護部品は、通常は高インピーダンスであるが、一定電圧以上の過電圧が印加されると、大幅にインピーダンスが低下し、これにより過電圧から保護したい電子部品や電気回路を保護するものである。

このような過電圧保護部品として、一対の放電電極間に、アルミナと金属導体を備えた過電圧保護材料を用いた技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−８５２８４号公報

電子部品の小型化により、電子部品の過電圧に対する耐性が低下している。このような状況下、過電圧保護部品のインピーダンスが大幅に低下する電圧、即ち、動作開始電圧を低くすることが求められている。動作開始電圧を低くするためには、放電電極間の距離を短くすることや、過電圧保護材料に入れる金属導体を増やし、金属導体の間隔を狭くすることなどの方法が考えられる。このうち、放電電極間の距離を短くすることは、加工精度の点からの制約があり、金属導体の間隔を狭くする方法に比べて動作開始電圧を低下させることは困難である。この点で、金属導体の間隔を狭くする方法は、加工精度の点からの制約も特になく、また、比較的容易に行うことができるので、有用である。

しかし、金属導体の間隔を狭くする、即ち、過電圧保護材における金属導体の密度を上げると、金属導体同士が接触し、短絡が生じる恐れがある。短絡が生じると、過電圧が印加されていない状態でも過電圧保護部品を電流が流れてしまうことになり、過電圧保護素子としての機能を発揮することが出来なくなる。このため、製造時には、過電圧保護部品が短絡を起こしていないことを確認する検査工程を設け、短絡が生じている物を不良品として扱っている。よって、不良品が増えると、歩留まりの悪化や生産効率の低下を引き起こしてしまう。したがって、動作開始電圧を低くするためには、過電圧保護材内で短絡が生じないようにする必要があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、過電圧保護部品が短絡を生じる可能性を大幅に低下させ、より動作開始電圧が低い過電圧保護部品を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を有している。

請求項１に記載の発明は、第１の放電電極と、前記第１の放電電極と互いに対向する第２の放電電極と、前記第１の放電電極と前記第２の放電電極の間に設けられた過電圧保護部とを備え、前記過電圧保護部は、通常の場合には絶縁体として機能し、過電圧が印加された場合にはこの過電圧に起因する電流を流し、さらに前記過電圧保護部は、酸化カルシウム、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選択される少なくとも一つのカルシウム化合物と金属導体とを必須の成分とし、前記金属導体を３０重量％〜６０重量％、前記カルシウム化合物中に存在するカルシウムを５重量％以上含有しているものである。

上記発明は、前記過電圧保護部が、酸化カルシウム等のカルシウム化合物を所定量含有しているので、短絡が生じにくく、より動作開始電圧を低くすることができるという作用効果を有するものである。

請求項２に記載の発明は、特に、前記過電圧保護部が、空孔を備えているもので、空孔が絶縁体としての役割を有し、より短絡を防止することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の過電圧保護部品は、動作開始電圧を低くすることができるという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における過電圧保護部品の正面断面図同過電圧保護部品の製造方法を示す図同過電圧保護部品の製造方法を示す図

以下、一実施の形態を用いて、本発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態における過電圧保護部品の正面断面図である。

基板１は絶縁体からなり、板状の外形である。基板１としては、耐熱、対熱衝撃に優れたアルミナ基板が好ましい。

第１の放電電極２は、基板１上に形成された電極である。第１の放電電極２は、耐熱性、導電性および化学反応からの安定性の点からその材質は選択することができる。耐熱性を優先させるならばタングステン、導電性を優先させるならば、銀や銅、安定性を優先させるならば金が好適である。

過電圧保護部３は、第１の放電電極２上に形成されており、低電圧では絶縁体として機能し、過電圧が印加されると電気を流す電圧依存性の材料で形成されている。具体的には、金属導体とＣａＯ（酸化カルシウム）との混合物である。金属導体としては、Ａｇ／Ｐｄ（銀とパラジウムの混合物または合金）やＰｔ／Ｐｄ（銀と白金の混合物または合金）を用いることができる。

第２の放電電極４は、基板１上における第１の放電電極２が形成されていない側の端面から過電圧保護部３の上部に形成され、第１の放電電極２と同様の材料で形成されている。第２の放電電極４は過電圧保護部３を介して第１の放電電極２と対向している。

保護層５は、第１の放電電極２の一部、過電圧保護部３、第２の放電電極４の一部を覆い、これらの構成要素を物理的衝撃や、湿度などの外部環境から保護する機能を有している。具体的には、エポキシ、ポリイミドまたはポリアミドなどの樹脂を使用するのが好適である。また、保護層５を２層にして、第１の放電電極２の一部、過電圧保護部３、第２の放電電極４の一部を覆うホウ珪酸ガラスなどのガラスによる層の表面にエポキシ、ポリイミドまたはポリアミドなどの樹脂による層を形成してもよい。

第１の端子電極６、第２の端子電極７は、それぞれ第１の放電電極２、第２の放電電極４と接続するように、基板１の上面から、基板１の端面、そして基板１の裏面にかけて形成されている。第１の端子電極６、第２の端子電極７は、銀または銅の電極層上にニッケルめっき層、さらにその表面にスズめっき層またははんだめっき層が形成されている。

過電圧保護部品８は、以上の構成要素から構成されたものである。

以上のように構成された過電圧保護部品８の製造方法について、以下、説明をする。

図２、図３は、本発明における一実施の形態の過電圧保護部品の製造工程図であり、図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ正面断面図、図２（ｄ）〜（ｆ）および図３（ｄ）〜（ｆ）は平面図である。

まず、図２（ａ）および図２（ｄ）のように、基板１を準備する。

次に、図２（ｂ）および図２（ｅ）のように基板１の上面に第１の放電電極２を形成する。形成方法としては、印刷工法や薄膜工法によるものがある。印刷工法の場合には、第１の放電電極２を構成する材料を含んだペーストをパターンマスクを用いて、基板１上に所定の形状で塗布し、その後、焼成あるいは乾燥によりペースト中の樹脂を消失させる工法をとることができる。薄膜工法の場合には、スパッタなどの工法を取り得る。

次に、図２（ｃ）および図２（ｆ）のように、第１の放電電極２の上面の一部を覆うように過電圧保護部３を形成する。過電圧保護部３は、ペースト状にした電圧依存性材料を印刷し、焼成することにより得られる。ペースト状にした電圧依存性材料は、過電圧保護部３を形成する金属導体およびＣａＯに樹脂を混合させたものを用いることができる。なお、過電圧保護部３に空孔を形成する場合には、アクリルビーズなどの、焼成すると蒸発等により消失するものをさらに混合しておけばよい。

次に、図３（ａ）および図３（ｄ）のように、第２の放電電極４は、基板１上における第１の放電電極２が形成されていない側の端面から過電圧保護部３の上部に形成されており、その製造工法は第１の放電電極２と同一にすることができる。なお、第１の放電電極２と過電圧保護部３とは、同一の工程で焼成させてもよい。この焼成温度は、８００〜９００℃、好ましくは８５０℃±２０℃である。

次に、図３（ｂ）および図３（ｅ）のように、第１の放電電極２の一部、過電圧保護部３、第２の放電電極４の一部を覆うように印刷工法により保護層５を形成する。

次に、図３（ｃ）および図３（ｆ）のように、それぞれ第１の放電電極２、第２の放電電極４と接続するように、基板１の上面から、基板１の端面、そして基板１の裏面にかけて第１の端子電極６、第２の端子電極７を形成する。第１の端子電極６、第２の端子電極７は、銀ペーストまたは銅ペーストを印刷し乾燥させた表面に、電解めっき工法でニッケルめっき層を形成し、さらにその表面に電解めっき工法でスズめっき層を形成したものである。

以上のように構成され、製造された過電圧保護部品８の動作について、以下、説明する。過電圧保護部品８は、サージや静電気などの過電圧から保護したい電子部品や電気回路と電気的に並列に接続する。通常は、過電圧保護部３は高インピーダンスであり、実質的に絶縁体として機能する。したがって、通常時は、過電圧保護部３と電気的に並列に接続している電子部品や電気回路に電流が流れる。一方、過電圧が印加された場合には、過電圧保護部品８のインピーダンスが大幅に低下するので、過電圧に起因する電流が流れ、これと電気的に並列に接続された電子部品や電気回路へは殆ど電流が流れない。これにより過電圧からこれらの電子部品や電気回路を保護することができる。

ここで、本発明の過電圧保護部品８は、過電圧保護部３にＣａＯを含有させている。ＣａＯは絶縁物であり、このＣａＯを含有させて過電圧保護部３中の金属導体の密度を高めることで動作開始電圧を低下させることができる。

過電圧保護部３の組成比は、金属導体を３０〜６５重量％、ＣａＯを７重量％以上にしている。金属導体とＣａＯの２つの物質により過電圧保護部３を形成しても良いが、ガラスや非線形電圧依存性抵抗材料の少なくとも一方、あるいは両方をさらに含有してもよい。この場合でも、過電圧保護部３の全体を１００重量％としたときに、金属導体を３０〜６５重量％、ＣａＯを７重量％以上の組成比にする必要がある。また、非線形電圧依存性抵抗材料としては、ＺｎＯ（酸化亜鉛）のようなバリスタ材料を用いることができる。

ここで、過電圧保護部３の組成比と特性について、表１を用いて説明する。表１は、過電圧保護部の組成と特性の関係を示す表である。

表１において、金属導体にはＡｇ／Ｐｄを用いている。ＡｇとＰｄの重量比は７：３としている。また、その他の物質は、ＺｎＯとガラスの混合物であり、その重量比は、６：４としている。また、表中の、ショート不良率は、図３（ａ）、（ｄ）における第２の放電電極４を印刷、焼成した工程以降の状態で第１の放電電極２と第２の放電電極４間で短絡している個数の割合を求めたものである。ピーク電圧値は、静電気が印加される電極とグランドとの間に過電圧保護部品８を接続し、入力インピーダンス５０Ωのデジタルオシロスコープの入力端に５０Ω減衰器を接続したものをこれと電気的に並列に接続し、ＩＥＣ−６１０００−４−２に基づき、１５ｋＶの接触放電をさせたときの電圧をデジタルオシロスコープで測定したものである。また、動作開始電圧は、ＩＥＣ−６１０００−４−２に準拠しつつ、静電気の電圧が徐々に高くなるようにして繰り返し印加し、過電圧保護部品が動作し始めるときの電圧のことである。

表１からわかるように、ＣａＯを７重量％以上にするとショート不良率の割合が急激に減少している。また、ＣａＯの重量比とピーク電圧値、およびＣａＯの重量比と動作開始電圧値とに相関はみられない。また、ピーク電圧値と動作開始電圧値とは金属導体の重量比が支配的であり、金属導体が多いとピーク電圧値および動作開始電圧値がともに低くなっている。これは、過電圧保護部３内で、放電が生じやすいことが要因であると考えられる。

比較のために、ＣａＯに代えてアルミナを用いた場合についての結果も示す。表２は、過電圧保護部にアルミナを用いたときの組成と特性の関係を示す表である。アルミナは、絶縁体であり、安定した物質であるので、一見すると短絡防止には好適な物質と考えられる。

ところが、表２から明らかなように、ＣａＯに代えて、アルミナを用いた場合には、ショート不良率を低減させることができていない。このことからも、ショート不良率低減のためには、過電圧保護部３の組成中に絶縁物を入れれば良いというわけではないことが分かる。

なお、ＣａＯに代えて、Ｃａ（ＯＨ）₂（水酸化カルシウム）を用いた場合にも、Ｃａ（ＯＨ）₂が９重量％以上であればショート不良率を低減させ、また、ＣａＣＯ₃が１２．５重量％以上である場合にもショート不良率を低減させることが分かった。これらの関係を整理すると、ショート不良率を低減させるのは、いずれも過電圧保護部３に対するＣａの重量比が５重量％以上のときに生じるものであり、ショート不良率の低減にはこれらのＣａ化合物の分子相当の数が関係していると思われる。したがって、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＣａＣＯ₃の中から選択される２つ、あるいはこれら３つの混合物を過電圧保護部３に用いてもよく、その際には、これらの混合物中のＣａが５重量％以上になるようにすればよい。

また、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＣａＣＯ₃の中では、ＣａＯが最も融点が高いので、耐熱性が要求される場合には好適である。他の２つの物質を使用する際には、過電圧保護部品８の製造工程中の焼成温度に注意する必要がある。

なお、本実施の形態においては、一対の放電電極を面方向で対向させその間に過電圧保護部３を形成した構成であるが、基板１上に一対の放電電極をそれぞれの放電電極の先端間でギャップを隔てて対向させ、そのギャップ間に過電圧保護部３を形成する構成にしてもよい。あるいは、セラミック素体の内部に一対の放電電極を面方向で対向させその間に過電圧保護部３を形成した構成や、セラミック素体の内部の同一平面上に一対の放電電極をそれぞれの放電電極の先端間でギャップを隔てて対向させてそのギャップ間に過電圧保護部３を形成する構成にしてもよい。

本発明にかかる過電圧保護部品は、動作開始電圧を低下させることができるものであり、各種電子機器等に適用することができる。

１基板
２第１の放電電極
３過電圧保護部
４第２の放電電極
５保護層
６第１の端子電極
７第２の端子電極
８過電圧保護部品

Claims

第１の放電電極と、
前記第１の放電電極と互いに対向する第２の放電電極と、
前記第１の放電電極と前記第２の放電電極の間に設けられた過電圧保護部とを備え、
前記過電圧保護部は、通常の場合には絶縁体として機能し、過電圧が印加された場合にはこの過電圧に起因する電流を流し、
さらに前記過電圧保護部は、酸化カルシウム、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選択される少なくとも一つのカルシウム化合物と金属導体とを必須の成分とし、前記金属導体を３０重量％〜６５重量％、前記カルシウム化合物中に存在するカルシウムを５重量％以上含有している過電圧保護部品。
前記過電圧保護部は、空孔を備えている請求項１記載の過電圧保護部品。