JP2015156406A - バリスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化や薄型化が進む静電気対策部品において、放熱特性に優れたバリスタとその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のバリスタは、酸化亜鉛を主成分とするバリスタ層２と、前記バリスタ層２の内部に設けられる少なくとも一対の内部電極４と、前記内部電極４に接続された外部電極７と、前記バリスタ層２の一方の面に設けられた第一の絶縁層１とを備え、前記バリスタ層２にビスマスを含むとともに前記第一の絶縁層１はガーナイトが主たる構成要素とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器を静電気から保護するのに適したバリスタにおいて、主にＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体を搭載するためのバリスタ内蔵セラミック基板に関する。

近年、電子機器の小型化、低消費電力化は急速に進み、それに伴い電子機器の回路を構成する各種電子部品の耐電圧は低下してきている。

これは電子機器の導通部に静電気パルスなどが入ることにより、各種電子部品、特に半導体デバイスが破壊されやすく各種電子機器の故障トラブルが問題となる。

この半導体デバイスとしては、主としてＬＥＤが上げられ、現在一般照明器具、テレビなどのバックライトおよびカメラのストロボ光源等、多くの製品での適用が検討されており、今後も需要量は増加していくものと予想される。

これに伴い今後のＬＥＤ市場は高輝度化、高出力化が求められ、同時にＬＥＤパッケージとしては放熱性を向上させるための更なる進化が求められる。

このようなＬＥＤパッケージとしては静電気対策（バリスタ内蔵）の要素を同時に備えた、特許文献１が知られている。この特許文献１に記載のＬＥＤパッケージは、セラミック基板として低温焼成ガラスセラミックス（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ−ｆｉｒｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ）を採用し、バリスタと一体同時焼成してなるものである。しかしながら一般にガラス成分は熱伝導率が低いことから、ＬＥＤ作動時に発生する熱を十分に放熱することができず、この熱がＬＥＤの作動、さらにはバリスタ特性にも影響を及ぼし、結果としてＬＥＤの信頼性が低下してしまうという問題を引き起こしてしまう。

国際公開第２００６／１０６７１７号

本発明は上記課題を解決するものであり放熱特性に優れたバリスタとその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のバリスタは、酸化亜鉛を主成分とするバリスタ層と、前記バリスタ層の内部に設けられる少なくとも一対の内部電極と、前記内部電極に接続された外部電極と、前記バリスタ層の一方の面に設けられた第一の絶縁層と、を備え、前記バリスタ層にビスマスを含むとともに前記第一の絶縁層はガーナイトが主たる構成要素とするものである。

以上のように本発明のバリスタはバリスタ層にＢｉを含み、少なくとも第一の絶縁層としてガーナイトを主たる構成要素とすることにより従来のバリスタよりも放熱性に優れる。

本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板の断面図 本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板の製造方法を示す断面模式図 本発明における第一の絶縁層のＸ線回折測定結果を示す特性図

以下、本発明のバリスタについて説明する。

本発明のバリスタは酸化亜鉛を主成分とするバリスタ層と、前記バリスタ層の内部に設けられる少なくとも一対の内部電極と、前記内部電極に接続された外部電極と、前記バリスタ層の一方の面に設けられた第一の絶縁層と、を備え、前記バリスタ層にビスマスを含むとともに前記第一の絶縁層はガーナイトが主たる構成要素とする構成により、従来のバリスタよりも放熱性が高く、信頼性の高いものを実現することができる。

なお、本発明におけるバリスタは、半導体等のＬＥＤを実装するための基板として、バリスタ機能が内蔵されたセラミック基板を例に説明するが、これに限定されるものではなく例えばチップ型の積層バリスタとして、バリスタ層の一方の面もしくは両面にガーナイトを主たる構成成分とする第一の絶縁層を設けた構成として応用することも可能である。

図１は本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板８を示した断面図である。図１に示すバリスタ内蔵セラミック基板８は、バリスタ層２の両主面を第一の絶縁層１と第二の絶縁層３で挟み込んだ構成とし、バリスタ層２の内部には少なくとも一対の内部電極４が設けられる。この内部電極４は、第一の絶縁層１とバリスタ層２と第二の絶縁層３とを貫通するビア電極５および第二の絶縁層３の上面に配置される主面電極６と、第一の絶縁層１の上面に配置される端子電極７と導通される。

主面電極６の上面にはＬＥＤ等の半導体デバイスが実装され、端子電極７はバリスタ内蔵セラミック基板８をメイン基板に実装するための電極となる。

なお、第一の絶縁層１の上面に主面電極６、第二の絶縁層３の上面に端子電極７を設けてもよく、特に限定されるものではない。また、特許請求の範囲における請求項１に記載の外部電極とは、バリスタ自体を外部の基板または電子機器と、電気的に接続させるための電極であり、上記バリスタ内蔵セラミック基板８においては基板そのものがメイン基板に実装するための端子電極７にあたり、チップ型の積層バリスタにおいては積層バリスタそのものがメイン基板に実装するための電極を指すものである。

本発明におけるバリスタ層２は主成分の酸化亜鉛を８０重量％以上、副成分として酸化ビスマスを０．５重量％以上２．１重量％以下と、酸化マンガンを０．４重量％以上０．５重量％以下、酸化アンチモンを１．０重量％以上１．６重量％以下、酸化コバルトを１．０重量％以上１．４重量％以下とすることが好ましく、この材料組成により優れたバリスタ特性を得ることができるとともに、第一の絶縁層１としてガーナイトを主たる構成要素とすることができる。具体的には、この第一の絶縁層１のガーナイトは従来のＬＴＣＣよりも格段に熱伝導性が高く、今後ＬＥＤ照明等に求められる高輝度化、高出力化に対して有利な構成であるといえる。

また、バリスタ層２に含有されている酸化ビスマスの融点は８００℃〜８５０℃であり１０００℃程度の焼成時には液相を形成して第一の絶縁層１へ拡散しやすいものであり、バリスタ層２の亜鉛成分はこの液相を通って、第一の絶縁層１へ拡散し、この第一の絶縁層１の酸化アルミニウムと反応してガーナイトを形成する。

また、第一の絶縁層１にニオブを添加することによって、このニオブはバリスタ層２から拡散するビスマス成分を引き付ける効果があり、これに伴ってバリスタ層２の亜鉛成分が第一の絶縁層１に拡散して均質なガーナイトを形成するものである。第二の絶縁層３としてはアルミナが好ましく、各電極間の絶縁を十分に確保できるため好ましい。

以上のように本発明のバリスタ内蔵セラミック基板８は、少なくとも第一の絶縁層１の主成分をガーナイトとすることで、放熱性に優れたバリスタ内蔵セラミック基板８を実現することができる。

次に、図１に示すバリスタ内蔵セラミック基板８の製造方法について図２を用いて詳細に説明する。

図２のＳＴＥＰ１においては、まず、第二の絶縁層３としてアルミナを主成分とする焼成済み（以下リジット基板）の基板を用いた。このアルミナを主成分とするリジット基板にレーザーにてビア電極５を形成するための孔を形成し、ビア電極用ペースト１４を充填する。

ＳＴＥＰ２においては、酸化亜鉛、酸化ビスマス、酸化マンガンおよび酸化アンチモン、さらにバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを配合した後に、混合分散してバリスタシート１２用のスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上に上記バリスタシート１２用のスラリーを塗布、乾燥してバリスタシート１２を作製する。その際、バリスタシート１２の所定枚数に内部電極用ペースト１３をスクリーン印刷したものを別途作製する。これらバリスタシート１２にはビア電極５を形成するための孔をメカニカルパンチャー法にて形成してこの孔にビア電極用ペースト１４をスクリーン印刷により充填する。その後、上記第二の絶縁層３の上面にバリスタシート１２を所定の積層構造となるよう積層する。

ＳＴＥＰ３においては、酸化アルミニウム粉末と、バインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを配合し、混合分散して第一のセラミックシート１１用のスラリーを作製する。

なお、本発明における第一のセラミックシート１１の主成分は酸化アルミニウムとするものであり、その配合量は第一のセラミックシート１１の総量に対して８０重量％以上とする。次いで、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上に上記第一のセラミックシート１１用のスラリーを塗布、乾燥して第一のセラミックシート１１を作製する。バリスタシート１２と同様に、この第一のセラミックシート１１にはビア電極５を形成するための孔をメカニカルパンチャー法にて形成し、この孔にビア電極用ペースト１４をスクリーン印刷により充填する。その後、ＳＴＥＰ２で作製した積層体におけるバリスタシート１２の上面に、ビア電極用ペースト１４をスクリーン印刷により充填した第一のセラミックシート１１を所定枚数積層して積層体を作製する。

ここで、第一のセラミックシート１１およびバリスタシート１２を加熱しながら積層することにより、シート間の密着性が向上するため好ましい。

ＳＴＥＰ４では上記積層体に、ビア電極用ペースト１４の端部と接続するように、第一のセラミックシート１１の上面に端子電極用ペースト１６、さらに第二の絶縁層３の上面に主面電極用ペースト１５をスクリーン印刷法にて形成する。なお主面電極用ペースト１５および端子電極用ペースト１６は上記積層体を積層する前のシート作製時に形成してもよい。

次いで主面電極用ペースト１５および端子電極用ペースト１６を形成した積層体に４００℃〜６００℃程度の温度で脱バインダを行った後、９５０℃以上１０５０℃以下の温度で焼成することで、バリスタシート１２中に含まれる酸化亜鉛の亜鉛成分が、第一のセラミックシート１１の全体に拡散し、ガーナイトを主たる構成要素とする第一の絶縁層１を形成する。

なお、本発明においては、酸化アルミニウム粉末を主成分とする第一のセラミックシート１１と、酸化亜鉛を主成分とし、ビスマスを含むバリスタシート１２とを一体焼成することでガーナイトを主たる構成要素とするとともに、熱伝導率の高い第一の絶縁層１を形成することができる。加えて上述したように第二の絶縁層３を設けることで、さらに優れたバリスタ内蔵セラミック基板８を得ることができる。

以下、第二の絶縁層３について詳細に説明する。

上述した、ＳＴＥＰ１のように第二の絶縁層３としてアルミナを主成分とするリジット基板を用いることにより、第一のセラミックシート１１およびバリスタシート１２と一体同時焼成する際に発生する平面方向の収縮を抑制することができるため高い寸法精度を実現することができる。

また、第二の絶縁層３を、上述したＳＴＥＰ３の第一のセラミックシート１１と同様に、酸化アルミニウム粉末とバインダ樹脂、可塑剤および溶剤とからなるシートを作製し、このシートと、第一のセラミックシート１１とでバリスタシート１２を挟み込んだ構成で、一体同時焼成することで、第一の絶縁層１と第二の絶縁層３は、供にガーナイトが主たる構成要素となるため、第一の絶縁層１と第二の絶縁層３との焼成時の収縮挙動の違いによる基板の反りを抑制することができる。

以下、実施例に基づいて上述した製造方法により作製された本発明のバリスタ内蔵セラミック基板８における第一の絶縁層１について具体的に説明する。

まず、バリスタシート１２としてはバリスタ材料の全重量を１００重量％としたときに、主成分の酸化亜鉛を８８．４重量％、副成分として酸化ビスマスを５．２重量％、酸化マンガンを１．０重量％、酸化アンチモンを１．６重量％、酸化コバルトを１．９重量％を配合し、さらにバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを混合分散してバリスタシート１２用のスラリーを作製した。

同様に第一のセラミックシート１１としては、セラミック成分を１００重量％としたときに、酸化アルミニウムを９０．０重量％、酸化マンガンを２．０重量％、酸化ビスマスを６．０重量％、酸化ニオブを２．０重量％を配合してバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを混合分散して第一のセラミックシート１１用のスラリーを作製した。第二の絶縁層３は酸化アルミニウム基板（リジット基板）とし、バリスタシート１２、第一のセラミックシート１１を積層し、積層体を作製した。

バリスタシート１２内に設ける内部電極４はＡｇが８０％、Ｐｄが２０％のＡｇ−Ｐｄ合金とするとともに、内部電極４の構成は一対とした。

次いで、積層体に６００℃、２時間で脱バインダを行い、その後１０００℃にて２時間の焼成を行うことにより、バリスタ内蔵セラミック基板８を得た。焼成後のバリスタ内蔵セラミック基板８の縦横の寸法は２．０ｍｍ×２．０ｍｍとした。

なお、各元素の配合量と焼成後の各層における元素の分布量は、焼成工程時に主として生じる元素の拡散によって異なるものとなる。

図３に第一の絶縁層１におけるＸ線回折測定結果を示す。図３に示されるように検出ピークはほぼガーナイト（●）となっており、その他にニオブとビスマスの複合酸化物（○）と思われるピークが検出された。

また、第一の絶縁層１の表面におけるＥＤＳ分析（測定条件：加速電圧は３０ｋｖ、観察倍率は５０００倍の全視野の面分析）を行った結果、第一の絶縁層１におけるガーナイトの析出量は第一の絶縁層１の全体を１００重量％とした場合は８５重量％であった。

本発明における第一の絶縁層１はガーナイトの析出量を８０重量％以上とすることで、熱伝導率の高い第一の絶縁層１とすることができるため放熱性に優れたバリスタ内蔵セラミック基板８を得ることができる。

本発明にかかるバリスタは半導体デバイス等、特に高輝度化、高出力化が進むＬＥＤのバリスタ内蔵のセラミック基板またはチップ型積層バリスタにおいて有用である。

１ 第一の絶縁層
２ バリスタ層
３ 第二の絶縁層
４ 内部電極
５ ビア電極
６ 主面電極
７ 端子電極（外部電極）
８ バリスタ内蔵セラミック基板
１１ 第一のセラミックシート
１２ バリスタシート
１３ 内部電極用ペースト
１４ ビア電極用ペースト
１５ 主面電極用ペースト
１６ 端子電極用ペースト

Claims (10)

1. 酸化亜鉛を主成分とするバリスタ層と、
   前記バリスタ層の内部に設けられる少なくとも一対の内部電極と、
   前記内部電極に接続された外部電極と、
   前記バリスタ層の一方の面に設けられた第一の絶縁層と、を備え、
   前記バリスタ層にビスマスを含むとともに前記第一の絶縁層はガーナイトが主たる構成要素であることを特徴とするバリスタ。
2. 前記バリスタ層と前記第一の絶縁層は、それぞれ酸化亜鉛を主成分とするバリスタシートと、酸化アルミニウムを主成分とする第一のセラミックシートとを積層し一体同時焼成されてなることを特徴とする請求項１に記載のバリスタ。
3. 前記バリスタ層の他方の面に第二の絶縁層を設けることを特徴とする請求項１に記載のバリスタ。
4. 前記第二の絶縁層はガーナイトが主たる構成要素であることを特徴とする請求項３に記載のバリスタ。
5. 前記第二の絶縁層はアルミナが主たる構成要素であることを特徴とする請求項３に記載のバリスタ。
6. 前記第一の絶縁層にはビスマスが含まれることを特徴とする請求項１に記載のバリスタ。
7. 前記第一の絶縁層にはニオブが含まれることを特徴とする請求項１に記載のバリスタ。
8. 酸化亜鉛を主成分とし、ビスマスを含むバリスタシートを準備する工程と、
   酸化アルミニウムを主成分とする第一のセラミックシートを準備する工程と、
   前記バリスタシートの一方の面に前記第一のセラミックシートを積層して積層体を作製する工程と、
   前記積層体を所定の温度で一体焼成する工程とを有し、
   前記一体焼成する工程によりガーナイトが主たる構成要素である第一の絶縁層を設けることを特徴とするバリスタの製造方法。
9. 酸化亜鉛を主成分とし、ビスマスを含むバリスタシートを準備する工程と、
   酸化アルミニウムを主成分とする第一のセラミックシートを準備する工程と、
   第二の絶縁層として焼成済みのセラミック基板を準備する工程と、
   前記バリスタシートを前記セラミック基板と前記第一のセラミックシートとで挟み込むように積層して積層体を作製する工程と、
   前記積層体を所定の温度で一体焼成する工程とを有し、
   前記一体焼成する工程によりガーナイトが主たる構成要素である第一の絶縁層を設けることを特徴とするバリスタの製造方法。
10. 酸化亜鉛を主成分とし、ビスマスを含むバリスタシートを準備する工程と、
    酸化アルミニウムを主成分とする第一のセラミックシートおよび第二のセラミックシートとを準備する工程と、
    前記バリスタシートを前記第一のセラミックシート、前記第二のセラミックシートで挟み込むように積層して積層体を作製する工程と、
    前記積層体を所定の温度で一体焼成する工程とを有し、
    前記一体焼成する工程によりガーナイトが主たる構成要素である第一の絶縁層および第二の絶縁層を設けることを特徴とするバリスタの製造方法。

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