JP2016225404A - Sintered body for zinc oxide-based varistor, multilayer substrate including the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

Sintered body for zinc oxide-based varistor, multilayer substrate including the same, and manufacturing method thereof Download PDF

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年紀 木田
Toshiki Kida
年紀 木田
岡本 直之
Naoyuki Okamoto
直之 岡本
伊藤 博之
Hiroyuki Ito
博之 伊藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sintered body for a zinc oxide-based varistor having sufficient characteristics without using a rare earth element and a multilayer substrate including the same.SOLUTION: The sintered body for a zinc oxide-based varistor includes zinc oxide as a main component, contains a bismuth oxide of 0.9 to 1.2 mol% in terms of Bi, and a cobalt oxide of 1.0 to 1.5 mol% in terms of Co. The content of RM (RM is Sb, a rare earth element, Li, V, Ga, Zr, Ta, Cr, Ge, Nb, Te, W, Mn, Se, Mo, Cs, Re, Rb, Pd, Ba, Pt, Ti, Ni, Sr, In, Hf, Tl) and Sn is less than or equal to an impurity level.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、酸化亜鉛系バリスタ用焼結体および酸化亜鉛系バリスタ用焼結体を用いた多層基板、ならびに酸化亜鉛系バリスタ用焼結体の製造方法および酸化亜鉛系バリスタ用焼結体を用いた多層基板の製造方法に関する。   The present invention uses a sintered body for a zinc oxide varistor, a multilayer substrate using the sintered body for a zinc oxide varistor, a method for producing a sintered body for a zinc oxide varistor, and a sintered body for a zinc oxide varistor. The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer substrate.

コンピュータおよび携帯電話などの電子機器には、それらに含まれる電子回路や素子を静電気およびノイズ等により生ずる異常高電圧から保護するためにバリスタ素子などのESD(静電気放電)保護デバイスが組み込まれている。
バリスタ素子は、印加される電圧が低い場合は大きな電気抵抗値を示し、僅かな電流しか流れないが、印加される電圧が大きくなると顕著に電気抵抗が低下し、多くの電流が流れる非直線性抵抗を示すバリスタ(バリスタ材料)を用いている。このようなバリスタの中でも容易に所望の特性を得られることから、酸化亜鉛を主成分として、酸化亜鉛以外の酸化物等を添加した酸化亜鉛系バリスタ(酸化亜鉛系バリスタ材料)が多く用いられている。
酸化亜鉛系バリスタ材料、特に同材料を焼結して得た酸化亜鉛系バリスタ用焼結体を用いたバリスタ素子を電子回路に組み込むことにより、電子回路の一部分に静電気またはノイズ等による高電圧に起因した電流が流れても、電子回路の所望の部分および所望の素子に、このような大きな電流が流れるのを抑制することができる。
Electronic devices such as computers and mobile phones incorporate ESD (electrostatic discharge) protection devices such as varistor elements in order to protect the electronic circuits and elements contained therein from abnormally high voltages caused by static electricity and noise. .
The varistor element exhibits a large electric resistance value when the applied voltage is low, and only a small amount of current flows. However, when the applied voltage increases, the electric resistance decreases remarkably and non-linearity where a large amount of current flows. A varistor (varistor material) showing resistance is used. Among these varistors, since desired characteristics can be easily obtained, zinc oxide varistors (zinc oxide varistor materials) containing zinc oxide as a main component and adding oxides other than zinc oxide are often used. Yes.
By incorporating a varistor element using a zinc oxide varistor material, especially a sintered body for a zinc oxide varistor obtained by sintering the same material, into the electronic circuit, high voltage due to static electricity or noise may be generated in a part of the electronic circuit. Even if the resulting current flows, it is possible to suppress such a large current from flowing in a desired part and a desired element of the electronic circuit.

しかし、一方で、バリスタ素子の占有スペースはこれらの電子機器の小型化を阻害する要因となっている。
この問題を解決するため、ESD(静電気放電)保護デバイスをLTCC(低温同時焼成セラミックス)として多層基板内に電極と一体的に形成することが、例えば特許文献1に開示されている。
However, on the other hand, the space occupied by the varistor elements is a factor that hinders downsizing of these electronic devices.
In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 discloses that an ESD (electrostatic discharge) protection device is integrally formed with an electrode in a multilayer substrate as LTCC (low temperature co-fired ceramics).

LTCCと接触して用いる電極には、電気抵抗の低い銀(Ag)を用いることが望ましい。しかし、銀は、例えば1000℃以上のような高温まで加熱されると酸化等により電極としての性能が低下してしまう。
このため、表面に銀より成る電極材料を形成した、バリスタ材料の混合原料シート(グリーンシート)等を含む積層体を850℃〜950℃程度の範囲の温度で焼成してバリスタ素子(ESD保護デバイス)を含む多層基板を形成する方法が特許文献2〜6に開示されている。
It is desirable to use silver (Ag) having a low electrical resistance for the electrode used in contact with the LTCC. However, when silver is heated to a high temperature such as 1000 ° C. or higher, the performance as an electrode is degraded due to oxidation or the like.
For this reason, a laminate including a mixed raw material sheet (green sheet) of varistor material, on which an electrode material made of silver is formed, is baked at a temperature in the range of about 850 ° C. to 950 ° C. to varistor element (ESD protection device Are disclosed in Patent Literatures 2 to 6.

国際公開第2009/136535号International Publication No. 2009/136535 特開2010−238882号公報JP 2010-238882 A 特開2007−5499号公報JP 2007-5499 A 特開平9−312203号公報JP-A-9-312203 特開2012−114443号公報JP 2012-114443 A 特開2005−97070号公報JP-A-2005-97070

これらの従来のバリスタ材料(バリスタ用焼結体)の多くが、添加剤として例えばアンチモン(Sb)、イットリウム(Y)またはプラセオジム(Pr)のような希土類元素、その他、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、インジウム(In)、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)などのレアメタルを用いることで、非直線性抵抗のような、所定のバリスタ特性を得ている。しかし、レアメタル、特に希土類元素は、地球上の存在量が少なかったり、産地が限定されていたり、技術的、経済的に抽出、精製することが困難であったりするため、長期間に亘る安定的な供給に懸念があり、また価格が高くその変動も大きい。更にアンチモン(Sb)は毒性を有する元素である。このため、これらアンチモン(Sb)および希土類元素を用いずに、またその他のレアメタルの使用量や使用する種類も最小限として、十分な特性を有する酸化亜鉛系バリスタ用焼結体およびこれを用いた多層基板が求められていた。   Many of these conventional varistor materials (sintered varistors) have rare earth elements such as antimony (Sb), yttrium (Y) or praseodymium (Pr) as additives, titanium (Ti), nickel ( By using rare metals such as Ni), indium (In), vanadium (V), zirconium (Zr), niobium (Nb), and tungsten (W), a predetermined varistor characteristic such as non-linear resistance is obtained. Yes. However, rare metals, especially rare earth elements, are stable over a long period of time because their abundance on the earth is low, their production areas are limited, and it is difficult to extract and refine them technically and economically. There is a concern about the supply, and the price is high and the fluctuation is large. Further, antimony (Sb) is a toxic element. For this reason, a sintered body for zinc oxide varistors having sufficient characteristics without using these antimony (Sb) and rare earth elements, and minimizing the amount and types of other rare metals used, and the same were used. A multilayer substrate has been desired.

また、製造方法についても以下のことが求められていた。
上述のように、焼成温度を850℃〜950℃程度と1000℃よりも低い焼成温度で焼成してバリスタ用焼結体(以下、単に「焼結体」と言う場合がある)を得ることは知られていた。しかし、これらの従来の方法は、850℃〜950℃程度の温度範囲で焼成を行う前に、熱処理を行う必要があった。この熱処理は、例えば、所望の組成を有するバリスタ用焼結体を形成するために用いる酸化物等の原料のうちの2種類以上を混合した上で300℃以上に加熱するものである。
そして、この混合および熱処理を行った原料と、必要に応じて加える別の種類の原料とを用いて850℃〜950℃程度の温度範囲で焼成を行って焼結体を得ている。
熱処理と焼成の2回の加熱工程を含むことは、工程が複雑になるだけでなく、消費するエネルギーの増大にも繋がるため、熱処理工程省略の要求があった。
Moreover, the following was calculated | required also about the manufacturing method.
As described above, it is possible to obtain a sintered body for varistor (hereinafter, simply referred to as “sintered body”) by firing at a firing temperature of about 850 ° C. to 950 ° C. and lower than 1000 ° C. It was known. However, these conventional methods require heat treatment before firing in a temperature range of about 850 ° C. to 950 ° C. In this heat treatment, for example, two or more kinds of raw materials such as oxides used for forming a varistor sintered body having a desired composition are mixed and heated to 300 ° C. or higher.
And it baked in the temperature range of about 850 degreeC-950 degreeC using the raw material which performed this mixing and heat processing, and another kind of raw material added as needed, and obtained the sintered compact.
The inclusion of the two heating steps of heat treatment and firing not only complicates the steps, but also leads to an increase in energy consumption, and there has been a demand for omitting the heat treatment step.

本発明は、レアメタルの使用量や使用する種類を最小限にし、特にアンチモン(Sb)および希土類元素を用いずに十分な特性を有する酸化亜鉛系バリスタ用焼結体およびこれを用いた多層基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、レアメタルの使用量や使用する種類を最小限にし、特にアンチモン(Sb)や希土類元素を用いずに、事前に熱処理を行うことなく、1000℃より低い温度で焼成を行うことで十分な特性を有することができる、酸化亜鉛系バリスタの製造方法および酸化物系バリスタを含む多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention minimizes the amount and type of rare metal used, and in particular, a sintered body for a zinc oxide varistor having sufficient characteristics without using antimony (Sb) and rare earth elements, and a multilayer substrate using the same. The purpose is to provide.
In addition, the present invention minimizes the amount and type of rare metal used, and in particular, does not use antimony (Sb) or rare earth elements, and performs firing at a temperature lower than 1000 ° C. without performing heat treatment in advance. It is an object of the present invention to provide a method for producing a zinc oxide varistor and a method for producing a multilayer substrate including an oxide varistor that can have sufficient characteristics.

本発明の態様1は、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RM(RMは、アンチモン(Sb)、希土類元素、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl))、および錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下であることを特徴とするバリスタ用焼結体である。   Aspect 1 of the present invention contains zinc oxide as a main component, bismuth oxide is 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi), and cobalt oxide is 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co). RM (RM is antimony (Sb), rare earth element, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr), tantalum (Ta), chromium (Cr), germanium (Ge), niobium (Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs), rhenium (Re), rubidium (Rb), palladium (Pd), barium (Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strontium (Sr), indium (In), hafnium (Hf), thallium (T )), And a varistor sintered body wherein the content of tin (Sn) is less than an impurity level.

なお、本明細書において、組成を規定する際の金属元素換算とは、「金属元素全体を100mol%とした時の」当該金属の含有量のことを意味し、「金属元素全体を100mol%とする」とは、「Si、BおよびSbなどの半金属を含む金属元素全体を100mol%とする」ことを意味する。また「不純物レベル以下」とは、ゼロまたは不純物レベルとして認識されている量あるいはそれよりも低い量しか含有していないことを意味し、具体的には、例えば金属元素全体を100mol%としたとき0.01mol%以下であり、好ましくは0.005mol%以下である。実用測定上は、例えばICP(誘導結合型プラズマ)湿式分析装置の検出限界(質量比で100ppm)以下であれば、0.01mol%以下の条件を満足する。   In this specification, the metal element conversion when defining the composition means the content of the metal when “the whole metal element is 100 mol%”, and “the whole metal element is 100 mol%. “Do” means “the whole metal element including semimetals such as Si, B and Sb is made 100 mol%”. Further, “impurity level or lower” means that it contains zero or an amount recognized as an impurity level or an amount lower than that. Specifically, for example, when the entire metal element is 100 mol% It is 0.01 mol% or less, preferably 0.005 mol% or less. For practical measurement, for example, if it is below the detection limit (100 ppm by mass ratio) of an ICP (inductively coupled plasma) wet analyzer, the condition of 0.01 mol% or less is satisfied.

本発明の態様2は、順に、第1の絶縁層と、態様1に記載のバリスタ用焼結体であるバリスタ層と、第2の絶縁層と、前記バリスタ層の主面に配置された第1の内部電極および第2の内部電極とを有していることを特徴とする多層基板である。   Aspect 2 of the present invention includes, in order, a first insulating layer, a varistor layer that is the sintered body for a varistor according to aspect 1, a second insulating layer, and a first varistor disposed on the main surface of the varistor layer. A multilayer substrate having one internal electrode and a second internal electrode.

本発明の態様3は、順に積層されている、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層とを有し、前記第2の絶縁層が、その内部に請求項1に記載のバリスタ用焼結体であるバリスタ層を備え、前記バリスタ層の主面に配置された第1の内部電極および第2の内部電極とを有していることを特徴とする多層基板である。   Aspect 3 of the present invention includes a first insulating layer, a second insulating layer, and a third insulating layer, which are sequentially stacked, and the second insulating layer is provided therein. A multilayer substrate comprising: a varistor layer that is a sintered body for a varistor according to 1; and a first internal electrode and a second internal electrode arranged on a main surface of the varistor layer. It is.

本発明の態様4は、1)少なくとも、酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトとを熱処理を施すことなく混合して、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RMおよび錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である混合原料を得る工程と、2)前記混合原料を850℃〜950℃で焼成する工程と、を含むことを特徴とする、バリスタ用焼結体の製造方法である。   Aspect 4 of the present invention is as follows: 1) At least zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide are mixed without being subjected to heat treatment, zinc oxide is the main component, and bismuth oxide is converted to bismuth (Bi) in terms of 0.00. A step of obtaining a mixed raw material containing 9 to 1.2 mol%, cobalt oxide in an amount of 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co), and containing RM and tin (Sn) at an impurity level or less, and 2) And a step of firing the mixed raw material at 850 ° C. to 950 ° C., which is a method for producing a sintered body for varistors.

本発明の態様5は、1)少なくとも、酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトとを熱処理を施すことなく混合して、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RMおよび錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である混合原料を得る工程と、2)絶縁材料から成る第1の絶縁シートの上に、第1の電極材を配置する工程と、3)前記第1の電極材の上に、前記混合原料を含む混合原料シートを形成する工程と、4)前記混合原料シートの上に、第2の電極材を配置する工程と、5)前記第2の電極材の上に、絶縁材料から成る第2の絶縁シートを形成する工程と、6)前記第1の絶縁シートと、前記混合原料シートと、前記第2の絶縁シートとを850℃〜950℃で焼成する工程と、を含むことを特徴とする多層基板の製造方法である。   Aspect 5 of the present invention is as follows: 1) At least zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide are mixed without being subjected to heat treatment, zinc oxide is the main component, and bismuth oxide is converted to bismuth (Bi) in terms of 0.00. A step of obtaining a mixed raw material containing 9 to 1.2 mol%, cobalt oxide in an amount of 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co), and containing RM and tin (Sn) at an impurity level or less, and 2) A step of disposing a first electrode material on a first insulating sheet made of an insulating material; 3) a step of forming a mixed raw material sheet containing the mixed raw material on the first electrode material; 4) a step of disposing a second electrode material on the mixed raw material sheet, 5) a step of forming a second insulating sheet made of an insulating material on the second electrode material, and 6) The first insulating sheet, and the mixed raw material sheet; A method for manufacturing a multilayer substrate, characterized in that it and a step of firing the second insulating sheet 850 ° C. to 950 ° C..

本発明に係る酸化亜鉛系バリスタ用焼結体およびこれを用いた多層基板では、レアメタルの使用量や使用する種類を最小限にし、特にアンチモン(Sb)や希土類元素を用いることなく、十分に優れたバリスタ特性を有することができる。
また、本発明に係る製造方法では、事前に熱処理を行うことなく、1000℃より低い温度で焼成を行うことで十分なバリスタ特性を有する、酸化亜鉛系バリスタ用焼結体および酸化亜鉛系バリスタ用焼結体を含む多層基板を製造することができる。
In the sintered body for a zinc oxide varistor according to the present invention and a multilayer substrate using the same, the amount of rare metal used and the type to be used are minimized, and particularly excellent without using antimony (Sb) or rare earth elements. Can have varistor characteristics.
In the manufacturing method according to the present invention, a sintered body for zinc oxide varistor and a zinc oxide varistor having sufficient varistor characteristics by firing at a temperature lower than 1000 ° C. without performing heat treatment in advance. A multilayer substrate including a sintered body can be manufactured.

図1(a)〜図1(c)は、スラリー状の混合原料を用いてバリスタ用焼結体を得る方法を例示する模式斜視図である。Fig.1 (a)-FIG.1 (c) are model perspective views which illustrate the method of obtaining the sintered compact for varistors using a slurry-form mixed raw material. 図2(a)は、多層基板100を示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)のXIVb-XIVb断面を示す断面図である。2A is a perspective view showing the multilayer substrate 100, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing the XIVb-XIVb cross section of FIG. 2A. 図3(a)〜図3(d)は、積層体150の製造方法を示す斜視図である。FIG. 3A to FIG. 3D are perspective views showing a method for manufacturing the laminate 150. 図4は積層体160を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing the laminate 160. 図5は多層基板100の製造方法を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a method for manufacturing the multilayer substrate 100. 図6(a)は多層基板200を示す斜視図であり、図6(b)は、図6(a)のXVIIIb-XVIIIb断面を示す断面図である。6A is a perspective view showing the multilayer substrate 200, and FIG. 6B is a cross-sectional view showing the XVIIIb-XVIIIb cross section of FIG. 6A.

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, terms indicating a specific direction and position (for example, “up”, “down”, “right”, “left” and other terms including those terms) are used as necessary. These terms are used for easy understanding of the invention with reference to the drawings, and the technical scope of the present invention is not limited by the meaning of these terms. Moreover, the part of the same code | symbol which appears in several drawing shows the same part or member.

本発明者らは、アンチモン(Sb)および希土類元素を用いることなく、その他のレアメタルの使用量や使用する種類も最小限におさえ、従来のアンチモン(Sb)および/または希土類元素を用いたバリスタ用焼結体と同等以上のバリスタ特性(バリスタ電圧、絶縁抵抗および/または非線形抵抗)を有するバリスタ用焼結体を得るべく鋭意検討した。その結果、酸化亜鉛系バリスタ用焼結体(酸化亜鉛を主成分(すなわち、酸化亜鉛を亜鉛(Zn)換算で90mol%以上含有する))において、酸化ビスマスの組成を本発明者らが見出した限定された範囲内とすることで、ビスマス(Bi)、コバルト(Co)以外のレアメタルを使用することなく、更に錫(Sn)を含有させない(不純物レベル以下にする)ことで、アンチモン(Sb)および希土類元素を含有していなくても優れたバリスタ特性を有するバリスタ用焼結体が得られることを見出し、本発明に至ったものである。   The present inventors use conventional antimony (Sb) and / or rare earth elements for varistors without using antimony (Sb) and rare earth elements and minimizing the amount and type of other rare metals used. In order to obtain a sintered body for varistors having a varistor characteristic (varistor voltage, insulation resistance and / or non-linear resistance) equal to or higher than that of the sintered body, intensive research was conducted. As a result, the present inventors have found a composition of bismuth oxide in a sintered body for zinc oxide varistor (containing zinc oxide as a main component (that is, containing 90 mol% or more of zinc oxide in terms of zinc (Zn))). Antimony (Sb) by not containing rare metals other than bismuth (Bi) and cobalt (Co) and further containing no tin (Sn) (below the impurity level) by being within the limited range. Further, the present inventors have found that a sintered body for varistors having excellent varistor characteristics can be obtained without containing rare earth elements, and have led to the present invention.

より詳細には、バリスタとして用いることができる本発明に係るバリスタ用焼結体は、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含んでいる。
さらに、本発明に係るバリスタ用焼結体は、RMおよび錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である。
More specifically, the sintered body for a varistor according to the present invention that can be used as a varistor has zinc oxide as a main component, bismuth oxide in terms of bismuth (Bi), 0.9 to 1.2 mol%, and cobalt oxide. It contains 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co).
Furthermore, in the sintered body for varistors according to the present invention, the contents of RM and tin (Sn) are below the impurity level.

本発明のバリスタ用焼結体に係る製造方法では、焼成後に得られる焼結体(バリスタ材料)が、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含む組成となるように、混合原料を得た後、この混合原料を850℃〜950℃で焼成する。   In the manufacturing method according to the sintered body for varistors of the present invention, the sintered body (varistor material) obtained after firing is mainly composed of zinc oxide, and bismuth oxide is converted to 0.9 to 1.2 mol in terms of bismuth (Bi). %, After obtaining the mixed raw material so as to have a composition containing 1.0 to 1.5 mol% of cobalt oxide in terms of cobalt (Co), the mixed raw material is fired at 850 ° C. to 950 ° C.

また、本発明のバリスタ用焼結体の製造方法に係る好ましい実施形態では、少なくとも、酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトとを熱処理を施すことなく混合して、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RMおよび錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である混合原料を得た後、この混合原料を850℃〜950℃で焼成する。   Moreover, in a preferred embodiment according to the method for producing a sintered body for varistors of the present invention, at least zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide are mixed without performing heat treatment, and zinc oxide is a main component, It contains 0.9 to 1.2 mol% bismuth oxide in terms of bismuth (Bi), 1.0 to 1.5 mol% cobalt oxide in terms of cobalt (Co), and the content of RM and tin (Sn) is below the impurity level. After obtaining the mixed raw material, the mixed raw material is fired at 850 ° C. to 950 ° C.

すなわち、前記好ましい実施形態においては、混合原料を得る前に、用いる複数の種類の酸化物(原料粉末)のうちの2種以上(複数種類の酸化物のうちの一部の種類であって2種類以上)を予め混合し、300℃以上に加熱する熱処理(例えば、「仮焼き」と呼ばれるような熱処理)を行うことなく、得ようとするバリスタ用焼結体と実質的に同じ組成を有する混合原料を得る。そして、この好ましい実施形態に係る混合原料を850℃〜950℃で焼成する。   That is, in the preferred embodiment, before obtaining the mixed raw material, two or more of a plurality of types of oxides (raw material powder) to be used (some types of the plurality of types of oxides are 2 It has substantially the same composition as the sintered body for the varistor to be obtained without pre-mixing and performing a heat treatment (for example, a heat treatment called “calcination”) that is heated to 300 ° C. or higher. A mixed raw material is obtained. And the mixed raw material which concerns on this preferable embodiment is baked at 850 degreeC-950 degreeC.

以下に、本発明に係るバリスタ用焼結体およびバリスタ用焼結体に係る製造方法の詳細を説明する。
1.バリスタ用焼結体
上述のように、本発明に係るバリスタ用焼結体(焼結体)は、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RMおよび錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である。
このように組成を狭い範囲に限定することにより、混合原料を850℃〜950℃で焼成しても得られたバリスタ用焼結体は、高い非線形定数を有する等、十分なバリスタ特性を示す。
そして、このように、1000℃未満の温度で焼成できることは、混合原料粉末を含んで成る混合原料シート層(グリーンシート層)の上に、電極となる銀(Ag)を配置した状態で、混合原料シートを焼成できることを意味している。このため、銀電極とバリスタ用焼結体(混合粉末を焼成して得たバリスタ層)を一体的に形成した多層基板を得ることができる。
Below, the detail of the manufacturing method which concerns on the sintered compact for varistors which concerns on this invention, and the sintered compact for varistors is demonstrated.
1. Sintered body for varistor As described above, the sintered body for varistor (sintered body) according to the present invention contains zinc oxide as a main component, and bismuth oxide is 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi). Cobalt oxide is contained in an amount of 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co), and the contents of RM and tin (Sn) are not more than the impurity level.
Thus, by limiting the composition to a narrow range, the sintered body for varistors obtained even when the mixed raw material is fired at 850 ° C. to 950 ° C. exhibits sufficient varistor characteristics such as having a high nonlinear constant.
And it can be fired at a temperature of less than 1000 ° C. in this way, in a state where silver (Ag) serving as an electrode is disposed on a mixed raw material sheet layer (green sheet layer) containing the mixed raw material powder. This means that the raw material sheet can be fired. For this reason, a multilayer substrate in which a silver electrode and a sintered body for varistor (varistor layer obtained by firing mixed powder) are integrally formed can be obtained.

1−1.組成
各元素について、このような狭い組成範囲とすべき理由を以下に示す。ただし、これらの理由は、現時点で得られている知見から発明者が合理的であると考えた理由を示すものであって、請求項により規定される、組成等の本発明の技術的範囲をさらに限定することを意図とするものではないことに留意されたい。
なお、本明細書における酸化物の含有量のモル比率は当該酸化物が含有する酸素原子を考慮せず、酸素と結びついている原子(金属元素の原子)のみを考慮して、モル比率を算出し求めたものである。また、前記金属元素は、ボロン、ケイ素、アンチモンなどの半金属を含む。
1-1. Composition The reason why such a narrow composition range should be set for each element is shown below. However, these reasons indicate the reason why the inventor considered reasonable based on the knowledge obtained at the present time, and the technical scope of the present invention such as the composition defined by the claims is described. It should be noted that no further limitation is intended.
Note that the molar ratio of the oxide content in this specification does not take into account the oxygen atoms contained in the oxide, but considers only the atoms (metal element atoms) that are linked to oxygen. It is what I asked for. The metal element includes a semimetal such as boron, silicon, and antimony.

(1)酸化亜鉛
酸化亜鉛は、本発明のバリスタ用焼結体(バリスタ層)のベースとなる材料であり、主成分である。すなわち、本発明のバリスタ用焼結体は、酸化亜鉛を亜鉛(Zn)換算で90mol%以上含む。
また、好ましくは、本発明のバリスタ用焼結体は、酸化亜鉛を亜鉛(Zn)換算で95mol%以上含んでいる。
(1) Zinc oxide Zinc oxide is a material that is a base of the sintered body for varistor (varistor layer) of the present invention, and is a main component. That is, the sintered body for varistors of the present invention contains 90 mol% or more of zinc oxide in terms of zinc (Zn).
Preferably, the sintered body for varistors of the present invention contains 95 mol% or more of zinc oxide in terms of zinc (Zn).

(2)酸化ビスマス
本発明のバリスタ用焼結体は、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、好ましくは1.0〜1.2mol%含有している。
酸化ビスマス(ビスマス)は、焼成温度が、850℃〜950℃と比較的低温でも焼結体の緻密化を促進する。また、本発明の材料の微細構造をEDX(エネルギー分散型X線分光法)で観察した結果、酸化ビスマス(ビスマス)は酸化亜鉛の粒界に偏析しており、これにより高抵抗な半導体粒界を形成し、これが2重ショットキー障壁としてバリスタ特性を発現すると考える。酸化ビスマスの含有量がビスマス換算で0.9mol%より少ないと、この効果が充分得られず、1.2mol%を超えると酸化ビスマスを主組成とする厚い絶縁層を形成してしまうという問題がある。
(2) Bismuth oxide The sintered body for varistors of the present invention contains bismuth oxide in an amount of 0.9 to 1.2 mol%, preferably 1.0 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi).
Bismuth oxide (bismuth) promotes densification of the sintered body even at a relatively low firing temperature of 850 ° C. to 950 ° C. Further, as a result of observing the microstructure of the material of the present invention by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), bismuth oxide (bismuth) is segregated at the grain boundary of zinc oxide, and thereby a high resistance semiconductor grain boundary. It is considered that this produces a varistor characteristic as a double Schottky barrier. If the content of bismuth oxide is less than 0.9 mol% in terms of bismuth, this effect cannot be obtained sufficiently, and if it exceeds 1.2 mol%, a thick insulating layer mainly composed of bismuth oxide is formed. is there.

(3)酸化コバルト
本発明のバリスタ用焼結体は、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含有している。
本発明のバリスタ用焼結体中の元素分布をEDX(エネルギー分散型X線分光法)で観察した結果、コバルトは粒界、粒内ともに均一に存在しており、焼結により酸化亜鉛粒子内に固溶することが確認できた。固溶したコバルトは2価のイオンから3価のイオンになり得ることから、電子を放出するドナーとなっていると考えられる。酸化亜鉛系バリスタのバリスタ特性発現は粒界に形成される二重ショットキー障壁に基づくこと、二重ショットキー障壁は、酸化亜鉛の結晶粒界に存在すると考えられている粒界準位に捕獲された電子の密度と粒内のイオン化したドナー密度とのバランスで決まることが判っており、酸化ビスマスの含有量が前述の範囲である場合、酸化コバルトの含有量がコバルト換算で1.0〜1.5mol%の時にこのバランスが適したものになることにより、本発明のバリスタ焼結体の非線形定数を高くする効果をもたらすと考えられる。
(3) Cobalt oxide The sintered body for varistors of the present invention contains 1.0 to 1.5 mol% of cobalt oxide in terms of cobalt (Co).
As a result of observing the element distribution in the sintered body for varistors of the present invention by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), cobalt is uniformly present at both the grain boundaries and within the grains, and the zinc oxide particles are obtained by sintering. It was confirmed that the solid solution. Since solid solution cobalt can be changed from a divalent ion to a trivalent ion, it is considered to be a donor that emits electrons. The expression of varistor characteristics in zinc oxide-based varistors is based on the double Schottky barrier formed at the grain boundary. The double Schottky barrier is trapped at the grain boundary level that is considered to exist at the crystal grain boundary of zinc oxide. It is known that it is determined by the balance between the density of generated electrons and the ionized donor density in the grains, and when the content of bismuth oxide is in the above range, the content of cobalt oxide is 1.0 to When this balance is suitable at 1.5 mol%, it is considered that the effect of increasing the nonlinear constant of the varistor sintered body of the present invention is brought about.

(4)RM
本発明のバリスタ用焼結体は、RM(RMは、アンチモン(Sb)、希土類元素、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl))の含有量が不純物レベル以下、すなわち、それぞれの元素の含有量が金属元素全体を100mol%としたとき0.01mol%以下であり、好ましくは0.005mol%以下である。以下、RMのそれぞれの元素について、アンチモン(Sb)、希土類元素を中心に詳細に述べる。
(4) RM
The sintered body for varistors of the present invention is composed of RM (RM is antimony (Sb), rare earth element, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr), tantalum (Ta), chromium ( Cr), germanium (Ge), niobium (Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs), rhenium (Re), rubidium ( Rb), palladium (Pd), barium (Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strontium (Sr), indium (In), hafnium (Hf), thallium (Tl)) The amount is not more than the impurity level, that is, the content of each element is 0.01 mol% or less when the entire metal element is 100 mol%. Properly is less than 0.005mol%. Hereinafter, each element of RM will be described in detail focusing on antimony (Sb) and rare earth elements.

・アンチモン(Sb)
多くの従来の酸化亜鉛系バリスタ用焼結体において、アンチモン(Sb)は良好なバリスタ特性を得るために積極的に添加されていた。これは、アンチモン(Sb)を用いることにより、他の添加剤の添加効果を良好に制御できるからである。しかしながら、アンチモン(Sb)は上述のように毒性を有するという問題を有している。
本発明にかかるバリスタ用焼結体はアンチモン(Sb)を不純物レベル以下でしか含有していない。
・ Antimony (Sb)
In many conventional sintered bodies for zinc oxide varistors, antimony (Sb) has been positively added to obtain good varistor characteristics. This is because by using antimony (Sb), the effect of adding other additives can be controlled well. However, antimony (Sb) has a problem that it has toxicity as described above.
The sintered body for varistors according to the present invention contains antimony (Sb) only at an impurity level or lower.

・希土類元素
多くの従来の酸化亜鉛系バリスタ用焼結体において、希土類元素はバリスタ特性向上のために意図的に添加されていた。
しかし、本発明に係るバリスタ用焼結体では、希土類元素をゼロまたは不純物レベル以下しか含有していない。すなわち、希土類元素の各々について、金属元素全体を100mol%としたとき0.01mol%以下程度であり、希土類元素合計で0.05mol%以下程度である。好ましくは、希土類元素の各々について0.005mol%以下であり、希土類元素合計で0.025mol%以下である。
-Rare earth elements In many conventional sintered bodies for zinc oxide varistors, rare earth elements were intentionally added to improve varistor characteristics.
However, the sintered body for varistors according to the present invention contains zero rare earth element or less than the impurity level. That is, for each of the rare earth elements, the total amount of the metal elements is about 0.01 mol% or less, and the total rare earth elements is about 0.05 mol% or less. Preferably, it is 0.005 mol% or less for each of the rare earth elements, and the total rare earth elements is 0.025 mol% or less.

なお、希土類元素が、如何なる元素を含むかについては、科学的および工業的な見地から複数の定義が存在する。
しかし、本発明においては、「希土類元素」は、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)およびルテチウム(Lu)を意味する。
すなわち、本明細書における「希土類元素」にスカンジウム(Sc)は含まれない。
Note that there are a plurality of definitions from the scientific and industrial viewpoints as to what kind of elements the rare earth element contains.
However, in the present invention, the “rare earth element” is yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium ( Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu).
That is, “rare earth element” in this specification does not include scandium (Sc).

本発明に係るバリスタ用焼結体では、産地が限定され、長期間に亘る安定的な供給に懸念があり、また価格が高く、その変動も大きい希土類元素を用いる必要がない。
また、希土類元素の中でもプラセオジム(Pr)およびイットリウム(Y)は、焼成時に焼結体の緻密化を妨げるという問題がある。しかし、本発明では、このような問題を生じない。
In the sintered body for varistors according to the present invention, the production area is limited, there is a concern about stable supply over a long period of time, and there is no need to use rare earth elements that are expensive and have a large fluctuation.
Among the rare earth elements, praseodymium (Pr) and yttrium (Y) have a problem of preventing densification of the sintered body during firing. However, the present invention does not cause such a problem.

・その他のレアメタル
本発明のバリスタ用焼結体は、アンチモン(Sb)や希土類元素以外のレアメタルに関しても、使用量や、その種類が最小限に抑えられている。アンチモン(Sb)や希土類元素以外のRM、すなわち、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl)のそれぞれの元素の含有量が金属元素全体を100mol%としたとき0.01mol%以下であり、好ましくは0.005mol%以下である。
-Other rare metals The sintered body for varistors of the present invention is minimized in the amount and type of rare metals other than antimony (Sb) and rare earth elements. RMs other than antimony (Sb) and rare earth elements, that is, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr), tantalum (Ta), chromium (Cr), germanium (Ge), niobium ( Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs), rhenium (Re), rubidium (Rb), palladium (Pd), barium ( Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strontium (Sr), indium (In), hafnium (Hf), and thallium (Tl) content of each metal element is 100 mol. %, It is 0.01 mol% or less, preferably 0.005 mol% or less.

(5)錫(Sn)
多くの従来の酸化亜鉛系バリスタ用焼結体において、錫(Sn)は例えば酸化錫の状態で意図的に添加され、積極的に用いられていた。これは、錫(Sn)を用いることにより、焼成時に液相を形成でき、得られる焼結体の緻密化が図れるからと考えられる。
しかし、本発明者らは、鋭意検討した結果、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含む成分系においては、錫(Sn)を添加しなくても、850〜950℃内で充分に焼成でき、高いバリスタ特性が得られることを見出した。それどころか、この組成に錫が0.5mol%添加されていると、絶縁性は高いものの、非線形定数が2以下のバリスタ特性とは言えない特性まで悪化すること見出したものである。
(5) Tin (Sn)
In many conventional sintered bodies for zinc oxide-based varistors, tin (Sn) is intentionally added, for example, in the form of tin oxide and has been actively used. This is presumably because, by using tin (Sn), a liquid phase can be formed during firing, and the resulting sintered body can be densified.
However, as a result of intensive studies, the present inventors have made zinc oxide the main component, bismuth oxide is 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi), and cobalt oxide is 1.0 in terms of cobalt (Co). It was found that in a component system containing ˜1.5 mol%, even if tin (Sn) is not added, it can be sufficiently fired within 850 to 950 ° C. and high varistor characteristics can be obtained. On the contrary, it has been found that when 0.5 mol% of tin is added to this composition, although the insulation property is high, the characteristic is deteriorated to a varistor characteristic having a nonlinear constant of 2 or less.

このため、本発明に係るバリスタ用焼結体は、錫(Sn)の含有量がゼロまたは不純物レベル以下である。不純物としての錫(Sn)の一般的な含有量(不純物レベル)は、例えば、金属元素全体を100mol%としたとき0.01mol%以下であり、好ましくは0.005mol%以下である。   For this reason, the sintered body for varistors according to the present invention has a tin (Sn) content of zero or less than an impurity level. The general content (impurity level) of tin (Sn) as an impurity is, for example, 0.01 mol% or less, preferably 0.005 mol% or less when the entire metal element is 100 mol%.

(6)その他の元素
本発明の好ましい実施形態の1つでは、本発明のバリスタ用焼結体は、ビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%の酸化ビスマスと、コバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%の酸化コバルトと、残部である酸化亜鉛および不可避的不純物とから成る。
このような、不可避的不純物のレベルとして、1種類の元素あたり0.01mol%以下であり、不可避的不純物全体で0.1mol%以下であることを例示できる。
なお、「不可避不純物」は、通常、製造工程およびハンドリング時等において意図せずに含有された不純物を意味する。しかし、たとえ、意図的に添加を行った場合であっても上述した「不純物レベル」以下の含有量であれば、添加による技術的効果を充分に得ることができるものではない。すなわち、本明細書においては、「不可避的不純物」とは、意図して添加したか、意図せずに含有するものかを問わず、含有量が上述の「不純物レベル」以下であることを意味する。従って、本発明では、上述のように、RMと錫(Sn)とを不純物レベル以下しか含んでいないことからRMおよび錫(Sn)は、「不可避的不純物」に含まれる。
(6) Other elements In one of the preferred embodiments of the present invention, the sintered body for varistors of the present invention comprises 0.9 to 1.2 mol% of bismuth oxide in terms of bismuth (Bi) and cobalt (Co). It consists of 1.0 to 1.5 mol% of cobalt oxide in terms of conversion, and the remaining zinc oxide and inevitable impurities.
An example of the level of such inevitable impurities is 0.01 mol% or less per element, and 0.1 mol% or less of the inevitable impurities as a whole.
“Inevitable impurities” usually means impurities that are unintentionally contained during the manufacturing process and handling. However, even if it is intentionally added, if the content is not more than the above-mentioned “impurity level”, the technical effect due to the addition cannot be sufficiently obtained. That is, in this specification, “inevitable impurities” means that the content is below the above “impurity level” regardless of whether it is intentionally added or unintentionally contained. To do. Therefore, in the present invention, as described above, since RM and tin (Sn) are contained only at an impurity level or less, RM and tin (Sn) are included in “inevitable impurities”.

しかし、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の別の好ましい実施形態においては、所望のバリスタ特性を得るためにRM、錫(Sn)以外の任意の元素またはその化合物を1種または2種以上含んでよい。
このような、元素または化合物は、合計で例えば5mol%以下、好ましくは3mol%以下含まれてよい。この程度であれば、十分なバリスタ特性を確保することが可能である。
However, the present invention is not limited to this. In another preferred embodiment of the present invention, any element other than RM and tin (Sn) or a compound thereof may be used in order to obtain desired varistor characteristics.
Such elements or compounds may be contained in a total of, for example, 5 mol% or less, preferably 3 mol% or less. If it is about this level, it is possible to ensure sufficient varistor characteristics.

1−2.特性
このような組成を有し、850℃〜950℃で焼成されて得た、本発明のバリスタ用焼結体が有する特性を例示する。
本発明のバリスタ用焼結体は、上述したように優れたバリスタ特性を有する。そこで、以下にバリスタ特性について詳述する。
主なバリスタ特性として、バリスタ電圧、絶縁抵抗および非線形抵抗が知られている。これらについて説明する。
1-2. Characteristics The characteristics of the sintered body for varistors of the present invention obtained by firing at 850 ° C. to 950 ° C. having such a composition are exemplified.
The sintered body for varistors of the present invention has excellent varistor characteristics as described above. Therefore, the varistor characteristics will be described in detail below.
As main varistor characteristics, varistor voltage, insulation resistance and nonlinear resistance are known. These will be described.

・バリスタ電圧
バリスタ(バリスタ用焼結体)は印加する電圧に応じて、抵抗値が急変する特性を有する。すなわち、印加電圧が所定の大きさ以上になると、電気抵抗が急激に低下し、それまでほとんど流れなかった電流が急に流れ出すという性質を持っている。
バリスタ用焼結体に1mAの電流が流れたときのバリスタ端子間電圧(印加電圧)をバリスタ電圧という。バリスタ電圧はバリスタ(バリスタ材料)の粒径と電極間距離に依存するため、これらを制御することである程度の範囲で制御できる。また、ある程度のバリスタ電圧を得るためには後述する非線形定数が高いことが必要となる。
本発明に係るバリスタ用焼結体では、上述した組成範囲内で適正な組成を選択することにより、200μmの電極間距離に対してバリスタ電圧を90〜250Vと幅広い範囲で制御できる。
-Varistor voltage A varistor (sintered varistor) has a characteristic that its resistance value changes suddenly according to the applied voltage. That is, when the applied voltage exceeds a predetermined level, the electrical resistance rapidly decreases, and the current that has hardly flowed until then suddenly flows out.
The voltage between varistor terminals (applied voltage) when a current of 1 mA flows through the sintered body for varistor is called varistor voltage. Since the varistor voltage depends on the particle size of the varistor (varistor material) and the distance between the electrodes, it can be controlled within a certain range by controlling them. Further, in order to obtain a certain varistor voltage, it is necessary that the nonlinear constant described later is high.
In the sintered body for varistors according to the present invention, the varistor voltage can be controlled in a wide range of 90 to 250 V with respect to the distance between the electrodes of 200 μm by selecting an appropriate composition within the composition range described above.

・絶縁抵抗
絶縁抵抗値は、バリスタ電圧の10分の1電圧での抵抗値を意味する。
絶縁抵抗値が低いと多くの電流が流れ、リーク電流を生ずることとなる。このため、素子では、10MΩ以上の絶縁抵抗を有することが目安とされている。そして、この10MΩを確実に達成できるように、より高い抵抗値を有している場合、設計の自由度が高く好ましい。本発明に係るバリスタ用焼結体では、例えば10GΩと高い絶縁抵抗値を得ることができる。
-Insulation resistance The insulation resistance value means the resistance value at 1/10 of the varistor voltage.
When the insulation resistance value is low, a large amount of current flows and leak current is generated. For this reason, it is considered that the element has an insulation resistance of 10 MΩ or more. And in order to achieve this 10 MΩ reliably, when it has a higher resistance value, the freedom degree of design is high and preferable. In the sintered body for varistors according to the present invention, for example, a high insulation resistance value of 10 GΩ can be obtained.

・非線形定数
非線形定数は、下記の(1)式により求めることができる。

非線形定数=log10(I1/I2)/log(V1/V2) (1)

ここで、I1は1mAとし、V1はI1=1mAの電流が流れるときのバリスタ端子間電圧であり、I2は0.01mAとし、V2はI2=0.01mAの電流が流れるときのバリスタ端子間電圧である。
-Nonlinear constant The nonlinear constant can be obtained by the following equation (1).

Nonlinear constant = log 10 (I1 / I2) / log (V1 / V2) (1)

Here, I1 is 1 mA, V1 is a voltage between varistor terminals when a current of I1 = 1 mA flows, I2 is 0.01 mA, and V2 is a voltage between varistor terminals when a current of I2 = 0.01 mA flows. It is.

非線形定数が1より大きい時非直線性抵抗を有すると言うことができ、この値が高いほど、異常電流に対して、応答制御が正確であり好ましいとされている。現在一般的に使用されている酸化亜鉛系バリスタ用焼結体の多くが、その非線形定数が20以上であるため、20以上であることが1つの目安となる。本発明に係るバリスタ用焼結体では、例えば20以上の非線形定数を得ることができる。   It can be said that when the nonlinear constant is greater than 1, it has a non-linear resistance. The higher this value, the more accurate and preferable the response control is for an abnormal current. Many of the sintered bodies for zinc oxide varistors currently in general use have a non-linear constant of 20 or more, so that it is 20 or more as a guide. In the sintered body for varistors according to the present invention, for example, a nonlinear constant of 20 or more can be obtained.

また、このような優れたバリスタ特性を得るためには、結晶粒の粒径を制御することも重要となる。上述のように、本発明では、組成を適正に選択することにより、850℃〜950℃と比較的低い温度での焼成が可能となる。
このため、結晶粒の粒径を例えば、1μm〜10μmとすることができる。
なお、粒径は切片法により求めることができる。より具体的には、バリスタ用焼結体の研磨面を焼結温度よりも低い温度でサーマルエッチングすることにより、粒界を明瞭にした後、倍率1000倍の顕微鏡写真を得る。次に、この顕微鏡写真上に長さ100μmの直線を引き、この直線と交差する粒界数を数え、直線長さ(100μm)を交差する粒界数で除して粒径値を求める。この作業を複数回行って平均値を計算値し粒径とする。
In order to obtain such excellent varistor characteristics, it is also important to control the grain size of the crystal grains. As described above, in the present invention, it is possible to perform firing at a relatively low temperature of 850 ° C. to 950 ° C. by appropriately selecting the composition.
For this reason, the grain size of the crystal grains can be set to 1 μm to 10 μm, for example.
The particle size can be determined by the intercept method. More specifically, the polishing surface of the sintered body for varistor is thermally etched at a temperature lower than the sintering temperature to clarify the grain boundaries, and then a micrograph at a magnification of 1000 times is obtained. Next, a straight line having a length of 100 μm is drawn on the micrograph, the number of grain boundaries intersecting with the straight line is counted, and the grain size value is obtained by dividing the straight line length (100 μm) by the number of grain boundaries intersecting. This operation is performed a plurality of times, and the average value is calculated to obtain the particle size.

2.バリスタ用焼結体の製造方法
次に上述したバリスタ用焼結体の製造方法を説明する。
(1)混合原料(混合粉末)の作製
まず、得ようとするバリスタ用焼結体と実質的に同じ組成を有する混合原料(混合粉末)を準備する。ここで「実質的に同じ組成」とは、焼成工程等において成分の一部が蒸発等により変化することを考慮し、得られたバリスタ用焼結体との間に若干の組成の違いがあることを許容するという意味である。
なお、混合原料(混合粉末)の組成という場合、混合を促進するため、または混合した混合粉末をスラリー状に保持するために用い、そのほとんどが焼成工程において蒸発してしまう、例えばエタノールおよびPVB(ポリビニルブチラール)等の分散媒ならびに、シート成型時の形状の維持のために用いる、例えばフタル酸ジオクチルのような可塑剤を含まない。
同様の趣旨から、混合原料(混合粉末)の組成という場合、混合原料をシート状等の所望の形状にするために用い、そのほとんどが焼成工程において蒸発してしまう、有機溶剤、可塑剤、バインダ、およびこれらより得たビヒクルを含まない。
2. Manufacturing method of sintered body for varistor Next, a manufacturing method of the sintered body for varistor described above will be described.
(1) Preparation of mixed raw material (mixed powder) First, a mixed raw material (mixed powder) having substantially the same composition as the sintered body for varistor to be obtained is prepared. Here, “substantially the same composition” means that there is a slight difference in composition between the obtained sintered body for varistors in consideration that some of the components change due to evaporation or the like in the firing step or the like. It means to allow.
Note that the composition of the mixed raw material (mixed powder) is used to promote mixing or to hold the mixed mixed powder in a slurry state, and most of it evaporates in the firing step. For example, ethanol and PVB ( Polyvinyl butyral) and the like, and a plasticizer such as dioctyl phthalate used for maintaining the shape during sheet molding are not included.
From the same point of view, the composition of the mixed raw material (mixed powder) is used to make the mixed raw material into a desired shape such as a sheet, and most of it evaporates in the firing process, organic solvent, plasticizer, binder And no vehicles obtained from these.

混合原料は、例えば、酸化亜鉛、酸化ビスマスおよび酸化コバルトのような酸化物等の粗原料を、得ようとするバリスタ用焼結体の組成と実質的に同じになるように秤量後、これらの粗原料を混合することで得ることができる。   The mixed raw materials are, for example, a raw material such as an oxide such as zinc oxide, bismuth oxide and cobalt oxide, and after weighing these raw materials so as to be substantially the same as the composition of the sintered body for varistors to be obtained, It can be obtained by mixing crude raw materials.

混合には、湿式および乾式を問わず既知の各種の方法を用いてよい。
混合の方法として、ボールミルを用いることを例示できる。例えば、ボールミル容器中にエタノールのような分散媒と、ジルコニアボールのようなボールとともに秤量した粗原料とを投入してボールミル混合を行って混合原料を得てよい。
Various known methods may be used for mixing regardless of wet or dry methods.
An example of the mixing method is to use a ball mill. For example, a dispersion material such as ethanol and a raw material weighed together with balls such as zirconia balls may be put into a ball mill container and mixed by ball milling to obtain a mixed material.

従来、混合原料を得るために熱処理(仮焼き)を行われる場合が多い。
例えば、特許文献3には、混合原料を得る際に、用いる複数種類の粗原料の一部である酸化ビスマスと酸化アンチモンと酸化銅を予め混合して350〜750℃の温度で仮焼した後、混合原料を得て焼成を行っている。特許文献4〜6も同様に、用いる複数種類の粗原料の一部(2種類以上)を予め混合し、300℃以上の温度で熱処理することを開示している。
Conventionally, heat treatment (calcination) is often performed to obtain a mixed raw material.
For example, in Patent Document 3, when obtaining a mixed raw material, bismuth oxide, antimony oxide, and copper oxide, which are a part of a plurality of types of raw materials used, are premixed and calcined at a temperature of 350 to 750 ° C. The mixed raw material is obtained and fired. Similarly, Patent Documents 4 to 6 disclose that a part (two or more) of a plurality of types of raw materials to be used are mixed in advance and heat-treated at a temperature of 300 ° C. or higher.

これらの熱処理は、焼成後の焼結体内で組成が均一になるように、予め粗原料の一部を混合し、相互の成分を拡散させておくために行うものである。
しかし、本発明では、好ましくはこのような熱処理を行うことなく、混合原料を得る。これにより、製造工程がシンプルになり、より低いコストでバリスタ用焼結体を製造することが可能となる。
さらに、本発明者は、このように熱処理を行わずに混合原料を得て、この混合原料を用いて、850℃〜950℃で焼成を行うことで、熱処理を経た混合原料を用いて同じ条件で焼成を行った場合と比べて、得られたバリスタ用焼結体のバリスタ特性、とりわけ非線形定数を20%以上向上できることを見出した。
These heat treatments are carried out in order to mix a part of the raw materials in advance and diffuse the mutual components so that the composition becomes uniform in the sintered body after firing.
However, in the present invention, the mixed raw material is preferably obtained without performing such heat treatment. Thereby, a manufacturing process becomes simple and it becomes possible to manufacture the sintered compact for varistors at lower cost.
Further, the present inventor obtains a mixed raw material without performing heat treatment in this way, and uses this mixed raw material to perform firing at 850 ° C. to 950 ° C. It was found that the varistor characteristics, in particular the nonlinear constant, of the obtained sintered body for varistors can be improved by 20% or more, compared with the case where firing was carried out.

本発明では、RMおよび錫(Sn)を不純物レベル以下でしか含有していないこと、すなわち、必須の成分が、主成分の酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトであり、比較的焼成時の拡散が容易である成分が主体となることから、焼成前に熱処理を行う必要がなく、むしろ熱処理を行わない方が優れた特性が得られるという従来の常識を覆す結果に繋がったと考えられる。
なお、本明細書でいう「熱処理」とは、所望の組成を得るために用いる、複数種類の粗原料(粉末原料)のうちの一部である2種類以上の粗原料を混合して、例えば300℃以上に加熱することをいい、単一の酸化物等である、各々の粗原料を得ることを目的に行う加熱処理、または得られた単一の粗原料に対して脱水などの目的で行う加熱処理を含まない。
In the present invention, RM and tin (Sn) are contained only at an impurity level or lower, that is, the essential components are main components of zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide. Since components that are easily diffused are mainly used, it is considered that it is not necessary to perform heat treatment before firing, but rather, it is thought to have led to a result that overturned the conventional common sense that superior characteristics can be obtained without heat treatment.
In addition, "heat treatment" as used in this specification means mixing two or more types of raw materials that are a part of a plurality of types of raw materials (powder materials) used to obtain a desired composition, for example, Heating to 300 ° C. or higher, which is a single oxide or the like, heat treatment performed for the purpose of obtaining each raw material, or for the purpose of dehydrating the obtained single raw material Does not include the heat treatment to be performed.

(2)バリスタ用焼結体および電極を有するバリスタ積層体の作製
得られた混合原料を用いて、乾式、湿式を問わず既知の任意の手段を用いて成型し、所定の条件で焼成をして焼結体を得てよい。
例えば、混合原料を乾燥した状態で使用し、成形体(圧粉体)を得て、この成形体を焼成することにより、焼結体を得てよい。
また、混合原料を、エタノール等の有機分散媒または無機分散媒に分散させたスラリー(スラリー状の混合原料、ペースト)を得て、これを焼成して焼結体を得てもよい。
また、有機溶剤、可塑剤およびバインダを混合して得たビヒクル内に混合原料を攪拌混合した後、真空脱泡等を行いながら100℃以下程度に加熱し粘度調整を行って、シート形状等の任意の形状の混合原料成形体を得、これらを必要に応じて積層し、焼成して焼結体を得てもよい。
(2) Production of Varistor Laminate Having Sintered Body for Varistor and Electrode Using the obtained mixed raw material, it is molded using any known means, whether dry or wet, and fired under predetermined conditions. Thus, a sintered body may be obtained.
For example, the mixed raw material may be used in a dry state to obtain a molded body (a green compact), and the molded body may be fired to obtain a sintered body.
Alternatively, a slurry obtained by dispersing the mixed raw material in an organic dispersion medium such as ethanol or an inorganic dispersion medium (slurry mixed raw material or paste) may be obtained and fired to obtain a sintered body.
In addition, after mixing and mixing the mixed raw materials in a vehicle obtained by mixing an organic solvent, a plasticizer and a binder, the mixture is heated to about 100 ° C. or less while performing vacuum defoaming, etc. A mixed raw material molded body having an arbitrary shape may be obtained, and these may be laminated as necessary, and fired to obtain a sintered body.

図1は、スラリー状の混合原料を用いて焼結体を得る方法を例示する模式斜視図である。図1(a)は、スラリーから混合原料シートを得る方法を示し、図1(b)は混合原料シートを所望の形状に打ち抜いた状態を示し、図1(c)は、打ち抜いた混合原料シートを積層し、電極材料を配置した状態を示す。なお、図1(a)〜(c)のように図の数字が同じで数字以降の符号(「(a)」等の部分)が異なる図が複数ある場合、これらを総称して「図1」のように図の番号で呼ぶことがある。   FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a method of obtaining a sintered body using a slurry-like mixed raw material. 1A shows a method for obtaining a mixed raw material sheet from a slurry, FIG. 1B shows a state in which the mixed raw material sheet is punched into a desired shape, and FIG. 1C shows a punched mixed raw material sheet. Is shown, and the electrode material is disposed. 1A to 1C, when there are a plurality of figures having the same figure but different signs (parts such as “(a)”) after the numerals, these are collectively referred to as “FIG. And may be called by the numbers in the figure.

以下に図1に例示する方法を説明する。
混合原料に、分散媒と、必要に応じてPVBおよび/または可塑剤とを加えて、スラリー(混合原料スラリー)を得た後、図1(a)に示すように、このスラリーをPET等の樹脂フィルム8に塗布し、乾燥させることで、樹脂フィルム8上に混合原料シート2を得ることができる。
これを図1(a)の線Aに沿って打ち抜くことで、図1(b)に示すように、樹脂シート8上の混合原料シート2を所定の形状(図1(b)ではディスク形状)にすることができる。
The method illustrated in FIG. 1 will be described below.
After adding a dispersion medium and, if necessary, PVB and / or a plasticizer to the mixed raw material to obtain a slurry (mixed raw material slurry), as shown in FIG. The mixed raw material sheet 2 can be obtained on the resin film 8 by applying to the resin film 8 and drying.
By punching this along the line A in FIG. 1A, as shown in FIG. 1B, the mixed raw material sheet 2 on the resin sheet 8 has a predetermined shape (disk shape in FIG. 1B). Can be.

この混合原料シート2を樹脂フィルム8から剥離し、図1(c)に示すように、複数(図1(c)では3つ)の混合原料シート2を積層し、混合原料シート積層体22を形成する。そして、混合原料シート積層体22の下面に第1の電極シート6A(例えば、銀(Ag)電極シート)を積層し、混合原料シート積層体22の上面に第2の電極シート6B(銀(Ag)電極シート)を積層する。
その後、第1の電極シート6A(電極シート6)と第2の電極シート6B(電極シート6)とが短絡しないように、プレスし、混合原料シート2同士の間、混合原料シート2と第1の電極シート6Aとの間、および混合原料シート2と第2の電極シート6Bの間を圧接(圧着)する。プレスは好ましくは100℃以下に加熱して行う。
The mixed raw material sheet 2 is peeled from the resin film 8 and, as shown in FIG. 1 (c), a plurality (three in FIG. 1 (c)) of mixed raw material sheets 2 are laminated, and the mixed raw material sheet laminate 22 is formed. Form. Then, the first electrode sheet 6A (for example, a silver (Ag) electrode sheet) is laminated on the lower surface of the mixed raw material sheet laminate 22, and the second electrode sheet 6B (silver (Ag)) is laminated on the upper surface of the mixed raw material sheet laminate 22. ) Electrode sheet).
Thereafter, the first electrode sheet 6A (electrode sheet 6) and the second electrode sheet 6B (electrode sheet 6) are pressed so as not to be short-circuited, and between the mixed raw material sheets 2 and the mixed raw material sheet 2 and the first. Between the electrode sheet 6A and the mixed raw material sheet 2 and the second electrode sheet 6B. The pressing is preferably performed by heating to 100 ° C. or lower.

そして、下面に第1の電極シート6Aが配置され、上面に第2の電極シート6Bが配置された混合原料シート積層体22を焼成する。
焼成は焼成温度850℃〜950℃で行う。
焼成は空気中で行ってもよく、必要に応じて酸素雰囲気下で行ってもよい。
Then, the mixed material sheet laminate 22 in which the first electrode sheet 6A is disposed on the lower surface and the second electrode sheet 6B is disposed on the upper surface is fired.
Firing is performed at a firing temperature of 850 ° C to 950 ° C.
Firing may be performed in air, or may be performed in an oxygen atmosphere as necessary.

このような焼成を行うことで、下面に第1の電極6A(例えば、銀電極)を有し、上面に第2の電極6B(例えば、銀電極)を有する、バリスタ積層体22(焼結体)を得ることができる。
なお、図1に示す実施形態では、混合原料シート2を複数枚積層したが、これに代えて1枚の混合原料シート2の下面に第1の電極シート6Aを上面に第2の電極シート6Bを形成し、焼成を行って焼結体を得てもよい。
By performing such firing, the varistor laminated body 22 (sintered body) having the first electrode 6A (for example, silver electrode) on the lower surface and the second electrode 6B (for example, silver electrode) on the upper surface. ) Can be obtained.
In the embodiment shown in FIG. 1, a plurality of mixed raw material sheets 2 are laminated, but instead, the first electrode sheet 6 </ b> A on the lower surface of one mixed raw material sheet 2 and the second electrode sheet 6 </ b> B on the upper surface. May be formed and fired to obtain a sintered body.

3.多層基板およびその製造方法
(1)多層基板(バリスタ内蔵多層基板の基本構造)およびその製造方法
次に、上述したバリスタ焼結体の用途の一例である多層基板(バリスタ内蔵多層基板の基本構造)について説明する。
図2(a)は、本発明の多層基板の基本構造である多層基板100を示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)のXIVb-XIVb断面を示す断面図である。
多層基板100は、順に(図2(a)に示す実施形態では上から順に)第1の絶縁層10A(絶縁層10)と、第2の絶縁層10B(絶縁層10)と、第3の絶縁層10C(絶縁層)とが積層している。第2の絶縁層10Bの内部にバリスタ層2が配置されている。図2(b)に示す実施形態では、第2の絶縁層10Bを貫通する貫通孔内部にバリスタ層2が配置されている。
3. Multilayer substrate and manufacturing method thereof (1) Multilayer substrate (basic structure of varistor-embedded multilayer substrate) and manufacturing method thereof Multilayer substrate (basic structure of varistor-embedded multilayer substrate) as an example of the use of the above-described varistor sintered body Will be described.
2A is a perspective view showing a multilayer substrate 100 as a basic structure of the multilayer substrate of the present invention, and FIG. 2B is a sectional view showing a XIVb-XIVb cross section of FIG. 2A. .
The multilayer substrate 100 includes a first insulating layer 10A (insulating layer 10), a second insulating layer 10B (insulating layer 10), a third insulating layer 10A in order (in order from the top in the embodiment shown in FIG. 2A). The insulating layer 10C (insulating layer) is laminated. The varistor layer 2 is disposed inside the second insulating layer 10B. In the embodiment shown in FIG. 2B, the varistor layer 2 is disposed inside the through hole that penetrates the second insulating layer 10B.

バリスタ層2の上面と下面のそれぞれに内部電極6Cが配置されている。
バリスタ層2の上面に配置された内部電極6Cは、第1の絶縁層10Aを貫通する貫通電極6Dと接続され、電極6を形成している。この電極6により第1絶縁層10Aの上面(貫通電極6Dの第1絶縁層10Aの上面から露出した部分)とバリスタ層2とが電気的に接続できる。
同様に、バリスタ層2の下面に配置された内部電極6Cは、第3の絶縁層10Cを貫通する貫通電極6Dと接続され、電極6を形成している。この電極6により第3絶縁層10Cの下面(貫通電極6Dの第3絶縁層10Cの下面から露出した部分)とバリスタ層2とが電気的に接続できる。
2つの内部電極6Cは、互いに対向した対向電極となっており、その間にバリスタ層2が配置されている。この部分の構成により、ノイズ等により異常高電圧(高電流)が2つの内部電極6Cの間に発生するとバリスタ層2に電流が流れる。この基本構造を利用してインターポーザなどの多層基板の構造を形成することにより、異常高電圧が発生した場合に半導体チップ等の保護対象のデバイスにはほとんど電流が流れず、これらデバイスを保護することができる。また高速通信モジュールやインターポーザ等に対して多層基板100のような部分的にバリスタ層を絶縁層中に内装した基本構造を適用することにより、電極で形成される電気配線がほぼ絶縁層中に配置されるため、絶縁層の優れた伝送特性を活かした多層基板の実現が可能となる。
Internal electrodes 6 </ b> C are disposed on the upper and lower surfaces of the varistor layer 2.
The internal electrode 6C disposed on the upper surface of the varistor layer 2 is connected to the through electrode 6D penetrating the first insulating layer 10A to form the electrode 6. By this electrode 6, the upper surface of the first insulating layer 10A (the portion exposed from the upper surface of the first insulating layer 10A of the through electrode 6D) and the varistor layer 2 can be electrically connected.
Similarly, the internal electrode 6C disposed on the lower surface of the varistor layer 2 is connected to the through electrode 6D penetrating the third insulating layer 10C to form the electrode 6. With this electrode 6, the lower surface of the third insulating layer 10C (the portion exposed from the lower surface of the third insulating layer 10C of the through electrode 6D) and the varistor layer 2 can be electrically connected.
The two internal electrodes 6C are opposed to each other, and the varistor layer 2 is disposed therebetween. With this configuration, when an abnormally high voltage (high current) is generated between the two internal electrodes 6C due to noise or the like, a current flows through the varistor layer 2. By using this basic structure to form a multi-layered substrate structure such as an interposer, almost no current flows through the device to be protected, such as a semiconductor chip, when an abnormally high voltage occurs, so that these devices can be protected Can do. In addition, by applying a basic structure in which a varistor layer is partially embedded in an insulating layer, such as the multilayer substrate 100, for high-speed communication modules, interposers, etc., the electrical wiring formed by the electrodes is arranged almost in the insulating layer. Therefore, it is possible to realize a multi-layer substrate utilizing the excellent transmission characteristics of the insulating layer.

次に、多層基板100の製造方法を説明する。
図3(a)〜図3(d)は、積層体150の製造方法を示す斜視図である。まず、積層体150を作製する。
図3(a)に示すように、焼成により絶縁層となる絶縁シート10を準備し、次に図3(b)に示すように、絶縁シート10に貫通孔14を形成する。絶縁シート10は、例えば絶縁シート用混合原料をバインダと混合してスラリー状にしたものを、シート成型機を用いてドクターブレード法により樹脂シート上に塗布し乾燥させた後、樹脂シートを剥がす、等の方法で作製すればよい。
絶縁シート10の貫通孔14に銀電極ペーストを充填し乾燥させることにより、焼成後に貫通電極6Dとなる電極ペースト層6Dを形成する。
次に図3(d)に示すように、絶縁シート10の表面に、スクリーン印刷法を用いて、銀電極ペーストを塗布した後、乾燥させる等の方法により、絶縁シート10の上面に、電極ペースト層6Dと接触するように、電極ペースト層6Cを形成する。
これにより積層体150を得ることができる。積層体150は2つ作製する。
Next, a method for manufacturing the multilayer substrate 100 will be described.
FIG. 3A to FIG. 3D are perspective views showing a method for manufacturing the laminate 150. First, the laminated body 150 is produced.
As shown in FIG. 3A, an insulating sheet 10 to be an insulating layer is prepared by firing, and then a through hole 14 is formed in the insulating sheet 10 as shown in FIG. The insulating sheet 10 is, for example, a slurry obtained by mixing a mixed raw material for an insulating sheet with a binder, applied onto a resin sheet by a doctor blade method using a sheet molding machine and dried, and then peeled off the resin sheet. Or the like.
By filling the through hole 14 of the insulating sheet 10 with a silver electrode paste and drying it, an electrode paste layer 6D that becomes the through electrode 6D after firing is formed.
Next, as shown in FIG. 3 (d), the electrode paste is applied to the upper surface of the insulating sheet 10 by a method such as applying a silver electrode paste to the surface of the insulating sheet 10 using a screen printing method and then drying it. An electrode paste layer 6C is formed so as to be in contact with the layer 6D.
Thereby, the laminated body 150 can be obtained. Two stacked bodies 150 are produced.

次に、積層体160を形成する。図4は、積層体160を示す斜視図である。積層体160は、積層体150の電極ペースト層6Cの表面(少なくとも主面)をバリスタスラリー層2により覆ったものである。
2つの積層体150のうちの1つを用いて、以下に示す方法により積層体160を形成できる。
素原料をボールミル等で混合後、乾燥、解砕し、上述した所定の成分を有する混合原料(混合乾燥粉)を得る。混合原料を、エタノール等の有機分散媒(ビヒクル)または無機分散媒に分散させた混合原料スラリーを得る。
積層体150の電極ペースト層6Cの露出した表面のうち、少なくとも主面を例えばスクリーン印刷等の方法を用いて、得られた混合原料スラリーにより覆った後、乾燥させることにより絶縁シート2、貫通電極6D、電極ペースト層6C、およびバリスタスラリー層2を有する積層体160を得ることができる。
Next, the stacked body 160 is formed. FIG. 4 is a perspective view showing the laminate 160. The laminate 160 is obtained by covering the surface (at least the main surface) of the electrode paste layer 6 </ b> C of the laminate 150 with the varistor slurry layer 2.
Using one of the two stacked bodies 150, the stacked body 160 can be formed by the following method.
The raw materials are mixed with a ball mill or the like, then dried and crushed to obtain a mixed raw material (mixed dry powder) having the above-mentioned predetermined components. A mixed raw material slurry in which the mixed raw material is dispersed in an organic dispersion medium (vehicle) such as ethanol or an inorganic dispersion medium is obtained.
Of the exposed surface of the electrode paste layer 6C of the laminate 150, at least the main surface is covered with the obtained mixed raw material slurry using a method such as screen printing, and then dried, thereby drying the insulating sheet 2 and the through electrode. A laminate 160 having 6D, the electrode paste layer 6C, and the varistor slurry layer 2 can be obtained.

図5は、多層基板100の製造方法を示す図である。
図5を用いて複合積層体を得るためのプレス工程を説明する。
上から順に、バリスタスラリー層2が下面側となるように配置した積層体160(電極ペースト層6Cは不図示)と、積層体160のバリスタスラリー層2および積層体150の電極ペースト層6Cが収容可能な貫通孔14Aを有する絶縁シート10と、電極ペースト層6Cが上面側になるように配置した積層体150とを、図5に示すようにバリスタスラリー層2と貫通孔14Aと電極ペースト層6Cとを整列させて配置する。
そして、積層体150および160それぞれの絶縁シート10を、貫通孔14Aを有する絶縁シート10と接触させることにより、積層体160の電極ペースト層6Cおよびバリスタスラリー層2と、積層体150の電極ペースト層6Cとが貫通孔14A内で積層される。
この状態でプレスすることで,複合積層体を得ることができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing the multilayer substrate 100.
The press process for obtaining a composite laminated body is demonstrated using FIG.
In order from the top, the laminate 160 (electrode paste layer 6C is not shown) arranged so that the varistor slurry layer 2 is on the lower surface side, and the varistor slurry layer 2 of the laminate 160 and the electrode paste layer 6C of the laminate 150 are accommodated. As shown in FIG. 5, the insulating sheet 10 having the possible through holes 14A and the laminated body 150 arranged so that the electrode paste layer 6C is on the upper surface side are combined with the varistor slurry layer 2, the through holes 14A, and the electrode paste layer 6C. And align them.
Then, the insulating sheet 10 of each of the laminates 150 and 160 is brought into contact with the insulating sheet 10 having the through holes 14A, whereby the electrode paste layer 6C and the varistor slurry layer 2 of the laminate 160 and the electrode paste layer of the laminate 150 are obtained. 6C is stacked in the through hole 14A.
By pressing in this state, a composite laminate can be obtained.

得られた複合積層体を850℃〜950℃間の温度で焼成する。これにより、多層基板100を得ることができる。   The obtained composite laminate is fired at a temperature between 850 ° C. and 950 ° C. Thereby, the multilayer substrate 100 can be obtained.

(2)多層基板(バリスタ内蔵多層基板の基本構造の変形例)およびその製造方法
図6(a)は、変形例に係る多層基板200を示す斜視図であり、図6(b)は、図6(a)のXVIIIb-XVIIIb断面を示す断面図である。
多層基板200は、多層基板100と同様の構成を有している。すなわち、多層基板200は、順に(図6(a)に示す実施形態では上から順に)第1の絶縁層10A(絶縁層10)と、第2の絶縁層10B(絶縁層10)と、第3の絶縁層10C(絶縁層10)を有する。第2の絶縁層10Bの内部にバリスタ層2が配置されている。図6(b)に示す実施形態では、第2の絶縁層10Bを貫通する貫通孔内部にバリスタ層2が配置されている。
(2) Multilayer substrate (modified example of basic structure of multilayer substrate with built-in varistor) and manufacturing method thereof FIG. 6A is a perspective view showing a multilayer substrate 200 according to the modified example, and FIG. It is sectional drawing which shows the XVIIIb-XVIIIb cross section of 6 (a).
The multilayer substrate 200 has a configuration similar to that of the multilayer substrate 100. That is, the multilayer substrate 200 includes a first insulating layer 10A (insulating layer 10), a second insulating layer 10B (insulating layer 10), and a first layer in order (in the embodiment shown in FIG. 3 insulating layers 10C (insulating layer 10). The varistor layer 2 is disposed inside the second insulating layer 10B. In the embodiment shown in FIG. 6B, the varistor layer 2 is disposed inside the through hole that penetrates the second insulating layer 10B.

多層基板100では、バリスタ層2はバリスタスラリー層2を焼成して形成するが、多層基板200では、バリスタ層2を図1(a)に示した混合原料シート2を用いて形成する。混合原料シート2は、通常、バリスタスラリー層2と比べて剛性が高いため、プレス工程における変形が少ない。このため、得られるバリスタ層2内での厚みのばらつきが小さく、とりわけ中心部と端部との厚みの差が小さいという利点を有する。   In the multilayer substrate 100, the varistor layer 2 is formed by firing the varistor slurry layer 2. In the multilayer substrate 200, the varistor layer 2 is formed using the mixed raw material sheet 2 shown in FIG. Since the mixed raw material sheet 2 is usually more rigid than the varistor slurry layer 2, there is little deformation in the pressing process. For this reason, the variation in the thickness in the obtained varistor layer 2 is small, and in particular, there is an advantage that the difference in thickness between the central portion and the end portion is small.

なお、多層基板200の製造方法は、積層体160を形成する際に、電極ペースト層6Dの表面(少なくとも主面)をバリスタスラリー層2により覆うことに代えて、電極ペースト層6Dの表面(少なくとも主面)を覆うように混合原料シート2を配置する以外は、積層体100と同じ製造方法を用いてよい。   Note that the method of manufacturing the multilayer substrate 200 replaces the surface (at least the main surface) of the electrode paste layer 6D with the varistor slurry layer 2 when forming the laminated body 160, and replaces the surface (at least the surface of the electrode paste layer 6D). The same manufacturing method as that of the laminate 100 may be used except that the mixed raw material sheet 2 is disposed so as to cover the main surface).

また、図2〜図6の例では、2つの内部電極6Cがそれぞれバリスタ層2の上面および下面に配置されている例を説明したが、2つの内部電極6Cはバリスタ層2の同じ主面(上面または下面)に互いに離間して配置されていてもよい。すなわち、内部電極6Cはバリスタ層2のいずれかの主面に互いに離間して配置されていればよい。   2 to 6, the example in which the two internal electrodes 6C are respectively disposed on the upper surface and the lower surface of the varistor layer 2 has been described. However, the two internal electrodes 6C have the same main surface ( The upper surface or the lower surface may be spaced apart from each other. That is, the internal electrodes 6 </ b> C only need to be spaced apart from each other on any main surface of the varistor layer 2.

1.実施例1
表1に示す粗原料を同表の組成と成るように秤量し、ボールミル容器中にエタノール、ジルコニアボールとともに投入して、100rpmで20時間ボールミル混合した。なお本実施例における組成は金属元素換算のmol%で示している。すなわち、それぞれの酸化物が含有する酸素原子を考慮せず、酸素と結びついている金属原子のみを考慮して、モル比率を算出し求めたものであり、表1では、Zn、Bi、Co、Mn、Crのそれぞれの金属元素のmol%を示している。
また、表1に示す全てのサンプル(乾燥後の混合原料)について、ICP(誘導結合型プラズマ)湿式分析を行った。その結果、RMおよび錫(Sn)は何れも検出限界以下(検出限界:質量比で100ppm)であった。このことは、質量比からモル比に換算することで得られるRMおよび錫(Sn)のそれぞれの含有量が0.01mol%未満であることを意味する。
1. Example 1
The raw materials shown in Table 1 were weighed so as to have the composition shown in the same table, put into a ball mill container together with ethanol and zirconia balls, and ball mill mixed at 100 rpm for 20 hours. The composition in this example is shown in mol% in terms of metal element. That is, the molar ratio was calculated and determined in consideration of only the metal atom bonded to oxygen without considering the oxygen atom contained in each oxide. In Table 1, Zn, Bi, Co, The mol% of each metal element of Mn and Cr is shown.
Further, all samples (mixed raw materials after drying) shown in Table 1 were subjected to ICP (inductively coupled plasma) wet analysis. As a result, RM and tin (Sn) were both below the detection limit (detection limit: 100 ppm by mass ratio). This means that each content of RM and tin (Sn) obtained by converting from mass ratio to molar ratio is less than 0.01 mol%.

得られた混合原料を取り出して乾燥後、エタノール、PVBおよび可塑剤と混合してスラリー状の混合原料を作製した。このとき、スラリーに占めるPVBの含有率は10体積%とした。
このスラリー状の混合原料を用い、図1に示す方法でバリスタ積層体を得た。
具体的には、このスラリー状の混合原料をPETフィルム8上に厚さ0.07mmで塗布した後、乾燥させて混合原料シート2を得た。
同様に銀(Ag)粉末をエタノール、PVB(ポリビニルブチラール)および可塑剤と混合してスラリーを作製し、このスラリーをPETフィルム上に厚さ0.08mm厚みに塗布後、乾燥させて銀電極シート6を得た。
The obtained mixed raw material was taken out and dried, and then mixed with ethanol, PVB and a plasticizer to prepare a slurry mixed raw material. At this time, the content of PVB in the slurry was 10% by volume.
Using this slurry-like mixed raw material, a varistor laminate was obtained by the method shown in FIG.
Specifically, the slurry-like mixed raw material was applied on the PET film 8 with a thickness of 0.07 mm, and then dried to obtain the mixed raw material sheet 2.
Similarly, silver (Ag) powder is mixed with ethanol, PVB (polyvinyl butyral) and a plasticizer to prepare a slurry. The slurry is applied to a thickness of 0.08 mm on a PET film, and then dried to obtain a silver electrode sheet. 6 was obtained.

上記のスラリーを塗布したPETフィルム8を打ち抜いた後、PETフィルム8を剥離して、ディスク状の混合原料シート2(直径14mm×厚さ0.07mm)を得た。この混合原料シート2を3枚積層し、混合原料シート積層体22を得た。
混合原料シート積層体の両面それぞれに、銀電極シート6(直径6mm×厚さ0.05mm)を積層して電極とし、電極が短絡しないように注意して85℃でプレスして圧接した。
After the PET film 8 coated with the slurry was punched out, the PET film 8 was peeled off to obtain a disk-shaped mixed raw material sheet 2 (diameter 14 mm × thickness 0.07 mm). Three mixed raw material sheets 2 were laminated to obtain a mixed raw material sheet laminate 22.
A silver electrode sheet 6 (diameter 6 mm × thickness 0.05 mm) was laminated on both surfaces of the mixed raw material sheet laminate to form an electrode, which was pressed and pressed at 85 ° C. so as not to short-circuit the electrode.

この両面に銀電極6を備えた、混合原料シート積層体22を、昇温速度200℃/時間で昇温し、900℃で2時間焼成してバリスタ積層体22を得た。   The mixed raw material sheet laminate 22 provided with the silver electrodes 6 on both sides was heated at a rate of temperature increase of 200 ° C./hour and fired at 900 ° C. for 2 hours to obtain a varistor laminate 22.

バリスタ積層体22のサンプル1〜11に対して、アドバンテスト社製絶縁抵抗計R8340を用いて、電極間に流れる電流を、電圧を掃引しながら測定し、この測定結果からバリスタ特性(絶縁抵抗値、非線形定数、バリスタ電圧)を求めた。絶縁抵抗値は、バリスタ電圧の10分の1での抵抗値である。非線形定数は上述の(1)式により求めた。
結果を表2に示す。
For the samples 1 to 11 of the varistor laminate 22, the current flowing between the electrodes was measured using an insulation resistance meter R8340 manufactured by Advantest Corporation, and the varistor characteristics (insulation resistance value, Nonlinear constant, varistor voltage). The insulation resistance value is a resistance value at 1/10 of the varistor voltage. The nonlinear constant was obtained by the above equation (1).
The results are shown in Table 2.

表2より、本発明に係る実施例であるサンプル3〜6では、比較例であるサンプル1、2および7〜11と比べて、良好なバリスタ特性が得られており、特に20以上の高い非線形定数が得られている。
EDX(エネルギー分散型X線分光法)によってサンプル3〜6の組織の組成分析を行ったところ、コバルトが酸化亜鉛粒子内に固溶していることが確認できた。上述の通り、固溶したコバルトは電子を放出するドナーになっていると予想しており、サンプル3〜6では、酸化亜鉛系バリスタのバリスタ特性発現と関わる二重ショットキー障壁の形成に影響する、粒界準位に捕獲された電子密度と粒内のイオン化したドナー密度のバランスが適したものになったため、このように高い非線形定数が得られたと推察される。これに対し、酸化コバルトの添加量が本発明の範囲より少ないサンプル1、2、酸化コバルトの添加量が本発明の範囲より多いサンプル7、酸化ビスマスの添加量が本発明の範囲より少ないサンプル8、酸化ビスマスの添加量が本発明の範囲より多いサンプル9はこのバランスが適したものにならなかったため、非線形定数が低くなった、と考えられる。またサンプル10、11はマンガンやクロムが加わることによって理由は不明であるが粒界の特性が好ましくない状態になったと推察される。
From Table 2, Samples 3 to 6 which are examples according to the present invention have better varistor characteristics than Samples 1, 2 and 7 to 11 which are comparative examples, and particularly high nonlinearity of 20 or more. A constant is obtained.
When composition analysis of the structures of Samples 3 to 6 was performed by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), it was confirmed that cobalt was dissolved in the zinc oxide particles. As described above, solid solution cobalt is expected to be a donor that emits electrons, and Samples 3 to 6 affect the formation of double Schottky barriers related to the varistor characteristics of zinc oxide varistors. Since the balance between the electron density trapped at the grain boundary level and the ionized donor density in the grain became suitable, it is assumed that such a high nonlinear constant was obtained. In contrast, Samples 1 and 2 in which the addition amount of cobalt oxide is less than the range of the present invention, Sample 7 in which the addition amount of cobalt oxide is greater than the range of the present invention, and Sample 8 in which the addition amount of bismuth oxide is less than the range of the present invention. The sample 9 in which the amount of bismuth oxide added is larger than the range of the present invention is considered to have a low nonlinear constant because this balance was not suitable. In Samples 10 and 11, the reason is unknown due to the addition of manganese and chromium, but it is presumed that the characteristics of the grain boundaries are not preferable.

2:バリスタ層(焼成前は混合原料シートまたはペースト層)
6:電極
6A:第1の電極
6B:第2の電極
6C:第1の内部電極
6D:第2の内部電極
8:樹脂フィルム
10:絶縁層
10A:第1の絶縁層
10B:第2の絶縁層
10C:第3の絶縁層
22:バリスタ積層体(焼成前は混合原料シート積層体)
2: Varistor layer (mixed raw material sheet or paste layer before firing)
6: Electrode 6A: 1st electrode 6B: 2nd electrode 6C: 1st internal electrode 6D: 2nd internal electrode 8: Resin film 10: Insulating layer 10A: 1st insulating layer 10B: 2nd insulation Layer 10C: Third insulating layer 22: Varistor laminated body (mixed raw material sheet laminated body before firing)

Claims (5)

酸化亜鉛を主成分とし、
酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、
RM(RMは、アンチモン(Sb)、希土類元素、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl))および錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下であることを特徴とするバリスタ用焼結体。
Mainly zinc oxide,
Bismuth oxide is contained in 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi), cobalt oxide is contained in 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co),
RM (RM is antimony (Sb), rare earth element, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr), tantalum (Ta), chromium (Cr), germanium (Ge), niobium ( Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs), rhenium (Re), rubidium (Rb), palladium (Pd), barium ( Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strontium (Sr), indium (In), hafnium (Hf), thallium (Tl)) and tin (Sn) content are below the impurity level A sintered body for a varistor, characterized in that
順に、第1の絶縁層と、請求項1に記載のバリスタ用焼結体であるバリスタ層と、第2の絶縁層と、前記バリスタ層の主面に配置された第1の内部電極および第2の内部電極とを有していることを特徴とする多層基板。   In order, the 1st insulating layer, the varistor layer which is the sintered compact for varistors of Claim 1, a 2nd insulating layer, the 1st internal electrode arrange | positioned on the main surface of the said varistor layer, and 1st And a plurality of internal electrodes. 順に積層されている、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層とを有し、
前記第2の絶縁層が、その内部に請求項1に記載のバリスタ用焼結体であるバリスタ層を備え、
前記バリスタ層の主面に配置された第1の内部電極および第2の内部電極とを有していることを特徴とする多層基板。
A first insulating layer, a second insulating layer, and a third insulating layer, which are sequentially stacked;
The second insulating layer includes therein a varistor layer that is a sintered body for varistors according to claim 1,
A multilayer substrate comprising a first internal electrode and a second internal electrode arranged on a main surface of the varistor layer.
1)少なくとも、酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトとを熱処理を施すことなく混合して、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RM(RMは、アンチモン(Sb)、希土類元素、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl))および錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である混合原料を得る工程と、
2)前記混合原料を850℃〜950℃で焼成する工程と、
を含むことを特徴とする、バリスタ用焼結体の製造方法。
1) At least zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide are mixed without heat treatment, zinc oxide is the main component, and bismuth oxide is 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi), Cobalt oxide is contained in an amount of 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co), and RM (RM is antimony (Sb), rare earth element, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr ), Tantalum (Ta), chromium (Cr), germanium (Ge), niobium (Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs) ), Rhenium (Re), rubidium (Rb), palladium (Pd), barium (Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strike Nchiumu (Sr), and obtaining indium (In), hafnium (Hf), thallium (Tl)) and mixed raw material content is less impurity levels of tin (Sn),
2) A step of firing the mixed raw material at 850 ° C. to 950 ° C .;
The manufacturing method of the sintered compact for varistors characterized by including these.
1)少なくとも、酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化コバルトとを熱処理を施すことなく混合して、酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマスをビスマス(Bi)換算で0.9〜1.2mol%、酸化コバルトをコバルト(Co)換算で1.0〜1.5mol%含み、RM(RMは、アンチモン(Sb)、希土類元素、リチウム(Li)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ゲルマニウム(Ge)、ニオブ(Nb)、テルル(Te)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、セレン(Se)、モリブデン(Mo)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、ルビジウム(Rb)、パラジウム(Pd)、バリウム(Ba)、白金(Pt)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ストロンチウム(Sr)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl))および錫(Sn)の含有量が不純物レベル以下である混合原料を得る工程と、
2)絶縁材料から成る第1の絶縁シートの上に、第1の電極材を配置する工程と、
3)前記第1の電極材の上に、前記混合原料を含む混合原料シートを形成する工程と、
4)前記混合原料シートの上に、第2の電極材を配置する工程と、
5)前記第2の電極材の上に、絶縁材料から成る第2の絶縁シートを形成する工程と、
6)前記第1の絶縁シートと、前記混合原料シートと、前記第2の絶縁シートとを850℃〜950℃で焼成する工程と、
を含むことを特徴とする多層基板の製造方法。
1) At least zinc oxide, bismuth oxide, and cobalt oxide are mixed without heat treatment, zinc oxide is the main component, and bismuth oxide is 0.9 to 1.2 mol% in terms of bismuth (Bi), Cobalt oxide is contained in an amount of 1.0 to 1.5 mol% in terms of cobalt (Co), and RM (RM is antimony (Sb), rare earth element, lithium (Li), vanadium (V), gallium (Ga), zirconium (Zr ), Tantalum (Ta), chromium (Cr), germanium (Ge), niobium (Nb), tellurium (Te), tungsten (W), manganese (Mn), selenium (Se), molybdenum (Mo), cesium (Cs) ), Rhenium (Re), rubidium (Rb), palladium (Pd), barium (Ba), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), strike Nchiumu (Sr), and obtaining indium (In), hafnium (Hf), thallium (Tl)) and mixed raw material content is less impurity levels of tin (Sn),
2) disposing a first electrode material on a first insulating sheet made of an insulating material;
3) forming a mixed raw material sheet containing the mixed raw material on the first electrode material;
4) A step of disposing a second electrode material on the mixed raw material sheet;
5) forming a second insulating sheet made of an insulating material on the second electrode material;
6) firing the first insulating sheet, the mixed raw material sheet, and the second insulating sheet at 850 ° C. to 950 ° C .;
A method for producing a multilayer substrate, comprising:
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