JP2020145360A - チップ抵抗器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ抵抗器の基板としてＳｉ３Ｎ４基板を使用することで放熱性、熱膨張特性を改善するとともに、焼成膜（抵抗体膜、電極）に膨れを抑制する。【解決手段】直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に形成される抵抗体と、前記抵抗体の両端部に形成される電極を有する抵抗器であって、前記絶縁基板は窒化ケイ素セラミックスからなり、前記絶縁基板は表面に改質層が形成されているチップ抵抗器。【選択図】図２

Description

本発明は、チップ抵抗器およびその製造方法に関する。

例えば、電力制御に使用されるインバータの心臓部として用いられるパワーモジュールは、制御電力の増大、高集積化、高信頼性などが要求されている。このような要求を満たすためには、電子部品の放熱性等を向上させる必要がある。
電子部品の放熱性を向上させるにあたっては様々な工夫がなされているが、電子部品、とりわけチップ抵抗器においては、絶縁基板の放熱性、熱膨張特性を改善することがきわめて有効である。

そこで、チップ抵抗器の基板として、高熱伝導率を持つ窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を採用することが考えられる。
従来、窒化ケイ素はセラミックス基板の１種として、アルミナ基板に代えて抵抗器に用いることができるとされてきた。

例えば、特許文献１には、基体と、基体上に位置する抵抗体と、金属層と、抵抗体上に位置するガラス層を備える回路基板が開示されている。
基体を構成する材料として、セラミックスが挙げられており、基体が窒化珪素質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスからなるならば、特に放熱性に優れることが開示されている（段落００２８）。

特許第６３９３０１２号「抵抗体およびこれを備える回路基板ならびに電子装置」

発明者らがチップ抵抗器の基板としてＳｉ_３Ｎ_４基板を使用したところ、抵抗ペーストや電極ペーストに含まれるガラス成分とＳｉ_３Ｎ_４とが反応して窒素ガスが発生することがわかった。これに起因して、焼成膜（抵抗体、電極）に膨れが生じ、導通性や密着性が悪くなるという問題がある。

本発明は、チップ抵抗器の基板としてＳｉ_３Ｎ_４基板を使用することで抵抗器の放熱性、熱膨張特性を改善するとともに、焼成膜（抵抗体、電極）に膨れを抑制することを目的とする。

本発明の一観点によれば、直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に形成される抵抗体と、前記抵抗体の両端部に形成される電極を有する抵抗器であって、前記絶縁基板は窒化ケイ素セラミックスからなり、前記絶縁基板は表面に改質層が形成されているチップ抵抗器が提供される。

前記絶縁基板はＳｉ_３Ｎ_４である、ことが好ましい。
前記改質層はＳｉＯ_２を含むことが好ましい。
前記改質層は、焼結助剤が溶出された層である、ことが好ましい。また、改質層は酸素の比率が高い、いわゆるＯ‐ｒｉｃｈであることが好ましい。
前記改質層は、前記絶縁基板のバルク領域に比べて焼結助剤の組成比が少ない、Ｙ，Ｍｇ‐ｐｏｏｒであることが好ましい。
前記改質層は、前記絶縁基板の上下面に形成されている、ことが好ましい。
すなわち、焼成膜を形成する部分全体であることが好ましい。

本発明の他の観点によれば、直方体形状の窒化ケイ素セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に形成される抵抗体と、前記抵抗体の両端部に形成される電極を有する抵抗器の製造方法であって、前記絶縁基板に酸処理を施し、次いで、酸化処理する工程を行い、その後に、前記抵抗体および電極を焼成により形成する工程を行う、ことを特徴とするチップ抵抗器の製造方法が提供される。

酸処理により焼結助剤を表面から溶出させ、次いで、酸化処理する工程を行うことで、基板表面に改質層を形成することができ、窒化ケイ素セラミックスに含まれる成分と抵抗ペーストや電極ペーストに含まれるガラス成分との反応を抑制することができるため焼成膜（抵抗体、電極）の膨れが発生しにくく、平滑な焼成膜を形成することができる。
前記酸処理は、塩酸への浸漬により行われる、ことが好ましい。

本発明によれば、チップ抵抗器の基板としてＳｉ_３Ｎ_４基板を使用した場合において、焼成膜（抵抗体、電極）における膨れの発生を抑制することができた。また、これによって、チップ抵抗器の導通性や密着性を改善することができた。

本発明の一実施の形態によるチップ抵抗器の一構成例を示す断面図である。 図２（ａ）は、本実施の形態によるチップ抵抗器の一構成例を示す斜視図である。図２（ｂ）は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の斜視図である。 Ｓｉ_３Ｎ_４基板に形成されたペーストを加熱により固化させた後の表面写真（ａ）と断面写真（ｂ）とを示す図である。 図４は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の断面図（写真）である。図４（ａ）は未処理、図４（ｂ）は、ＨＣｌ濃度１ｍｏｌ／Ｌでの処理後，図４（ｃ）は、ＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌでの処理後の写真である。 ＸＰＳ測定チャートの一例を示す図であり、図５（ａ）は未処理、図５（ｂ）はＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌでの処理後のチャートである。 ＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌでの処理後のＳｉ_３Ｎ_４基板上の焼成膜の表面写真（ａ）と基板／焼成膜界面を含む断面の写真を示す図である。 本実施の形態によるチップ抵抗器の製造方法の一例を示すフローチャート図である。

本明細書において、窒化ケイ素セラミックスとは、主としてＳｉ_３Ｎ_４を含む物質の総称である。
また、基板表面の改質層とは、基板表面に処理を行うことでバルクの部分（基板内部）における化学的組成と異なる組成を有する層のことである。より具体的な説明は以下において行う。

発明者は、チップ抵抗器の基板として、高熱伝導率を持つ窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を採用するにあたり、焼成膜（抵抗体、電極）に膨れが生じ、導通性や密着性が悪くなるという問題を発見した。
発明者は、例えばＳｉ_３Ｎ_４基板の表面を塩酸により改質することにより平滑な焼成膜を形成することができることを見出した。
加えて、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面を酸処理により適正な条件で改質することにより、チップ抵抗器の基板としてＳｉ_３Ｎ_４等の窒化ケイ素セラミックスを用いることができることを発見した。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明を行う。
（チップ抵抗器の構成）
図１は本発明の一実施の形態によるチップ抵抗器の一構成例を示す断面図であり、図２（ａ）はその斜視図である。図１および図２（ａ）に示すように、本実施の形態によるチップ抵抗器Ａは、窒化ケイ素セラミックスからなる絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された抵抗体３と、抵抗体３の両端部に電気的に接続した電極５，５と、例えばガラス保護膜１７と樹脂保護膜２１とからなる保護膜と、端面電極７と、電極５および端面電極７を被覆するめっき層１５と、を有している。符号２３は、トリミング溝（切れ込み）である。

図２（ｂ）に示すように、絶縁基板１は、窒化ケイ素セラミックス（Ｓｉ_３Ｎ_４等）からなる所定厚みを有する矩形状（直方形状）の絶縁性基板である。すなわち、絶縁基板１は、図２（ｂ）に示すように、表面２ａ／裏面２ｂ/側面２ｃ、２ｄ/端面２ｅ、２ｆ（端面電極側）を有する。

絶縁基板１は、その表面２ａ及び裏面２ｂに改質層１ａおよび改質層１ｂを有する。改質層１ａ，１ｂは、絶縁基板（Ｓｉ_３Ｎ_４基板）１に酸処理（ＨＣｌによる表面処理）を施し、Ｓｉ_３Ｎ_４基板１に含まれている焼結助剤のＭｇ，Ａｌ，Ｙ等を溶出させて溶出層を形成し、さらに基板表面２ａ/基板裏面２ｂを酸化させることにより形成されたＳｉＯ_２膜により形成される。この改質層１ａ，１ｂにより、Ｓｉ_３Ｎ_４と抵抗ペーストや電極ペーストに含まれるガラス成分との反応を抑制することができる。従って、焼成膜（抵抗体３、電極５）の表面に膨れが発生しにくく、平滑な焼成膜を形成することができる。

（酸処理の詳細）
以下に、酸処理の詳細について説明する。
図３は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に形成されたペーストを加熱により固化させた後の表面写真（図３（ａ））と断面写真（図３（ｂ））とを示す図である。酸処理を施していない、いわゆる未処理のＳｉ_３Ｎ_４基板では、抵抗体および電極を焼成する際の熱処理により、窒素ガスが発生すると推測する。

そのため、Ｓｉ_３Ｎ_４基板上に形成された焼成膜（抵抗体３/電極５）に膨れ１ｘが生じ、焼成膜（抵抗体３/電極５）の導電性や密着性が悪くなるという問題がある（図３参照）。
そこで、例えば、大判のＳｉ_３Ｎ_４基板の状態で、酸処理を行う。
酸処理の条件は例えば以下の通りである。
（酸処理条件の一例）
試薬： ＨＣｌ （濃度５ｍｏｌ／Ｌ）
処理槽温度： １００℃
処理時間： １時間

図４は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の断面図（写真）である。図４（ａ）は未処理，図４（ｂ）は、ＨＣｌ濃度１ｍｏｌ／Ｌ，１時間，図４（ｃ）は、ＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌ，１時間での酸処理後の写真である。図５は、ＸＰＳ測定チャートの一例を示す図であり、図５（ａ）は未処理、図５（ｂ）はＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌ，１時間での酸処理後のチャートである。
酸処理の条件は、上記のものに限定されないが、図４の結果を踏まえると、図４（ｂ）のように溶出層（酸化処理後の改質層）が厚すぎると、熱電伝導率や抗折強度が低下するおそれがあるため、図４（ｃ）に示すように適切な厚み（ここでは、４０μｍ）を有する条件である、ＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌ，１時間で酸処理行うことが好ましい。

表１は、ＸＰＳを用いた成分分析結果を示す表である。未処理とＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌでの処理の場合のＸＰＳ測定結果を示している。表１より、Ｓｉ_３Ｎ_４基板をＨＣｌ処理すると、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に含有させている焼結助剤のＭｇやＹが溶け出し、溶出層を形成することがわかる。

また、図５は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に酸処理（ＨＣｌ処理）を施さない場合のＳｉ_３Ｎ_４基板（図５（ａ）：未処理）と、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に酸処理を施した場合のＳｉ_３Ｎ_４基板（図５（ｂ）：ＨＣｌ処理（５ｍｏｌ／Ｌ，１時間））について、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面と基板の表面から深さ４ｎｍの位置における組成をＸＰＳにより測定した結果により示す図である。横軸は分子結合のBinding energyであり、縦軸はCount（強度）である。図５において、横軸のBinding energyがＳｉＯ_２に対応する領域(Oxides)と、Ｓｉ_３Ｎ_４に対応する領域(Nitrides)を示している。また、実線は基板表面、破線は基板表面から深さ４ｎｍの位置における分析結果を示す。

図５（ａ）に示すように、未処理のＳｉ_３Ｎ_４基板は、Oxidesのピークが観測されないのに対して、図５（ｂ）に示すように、ＨＣｌ処理を施したＳｉ_３Ｎ_４基板の基板表面位置及び深さ４ｎｍの位置においてOxidesのピークが観測された。この結果より、ＨＣｌ処理を行うことにより、Ｓｉ_３Ｎ_４基板表面から少なくとも４ｎｍの深さまでの表面領域が酸化されており、すなわち、Ｓｉ_３Ｎ_４基板表面領域に改質層（ＳｉＯ_２層）が形成されていることがわかった。

図６は、ＨＣｌ濃度５ｍｏｌ／Ｌでの処理を施した場合の、Ｓｉ_３Ｎ_４基板上の焼成膜（抵抗体３、電極５）の表面写真（図６（ａ））と基板／焼成膜界面の写真（図６（ｂ））を示す図である。図６に示すように、図３の結果と比較して、Ｓｉ_３Ｎ_４基板１に酸処理を施すことによりＳｉ_３Ｎ_４とペースト中のガラス成分の反応が抑制されて焼結膜の膨れが発生しにくくなるため、Ｓｉ_３Ｎ_４基板１に平滑な焼成膜を形成することができる。

本実施の形態によるチップ抵抗器Ａでは、表面を改質した窒化ケイ素セラミックス絶縁基板１の上面の略中央に抵抗体３を形成し、絶縁基板１の上面両端部に抵抗体３を挟んで電極５を形成する。抵抗体３と電極５とは電気的に接続している。

抵抗体３は、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）系厚膜抵抗体、銅（Ｃｕ）系厚膜抵抗体、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）系厚膜抵抗体等であり、抵抗ペーストを絶縁基板１上に直方体パターンや蛇行パターン等にスクリーン印刷等することにより形成される。

尚、要求される特性によっては、薄膜抵抗体を用いることができる。
また、少なくとも抵抗体の上部を覆うガラス保護膜、エポキシ系保護膜等を形成することもある。

電極５は、銀系または銀パラジウム系の金属を含む導電性樹脂材料であり、抵抗体３と同様に電極ペーストを絶縁基板１上面両端部にスクリーン印刷等することにより形成される。また、電極は絶縁基１板の下面両端部にも形成することがある。
電極５と抵抗体３は一部が重複するが、重複部分の上下関係はいずれでも良い。

さらに、絶縁基板１の端面には、電極５に接続してニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）や銅（Ｃｕ）−クロム（Ｃｒ）等からなる合金材をスパッタリング、あるいは樹脂銀（Ａｇ）等のペーストを塗布して端面電極７を形成することができる。端面電極７の外層には、めっき層１５（ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等）を形成する。
尚、本実施の形態では、チップ抵抗器を対象としているが、チップヒューズ等の基板にも用いることができ、円柱状の基材にも適用が可能である。

（チップ抵抗器の製造方法）
次に、チップ抵抗器の全体の製造方法について説明する。図７は、本実施の形態によるチップ抵抗器の製造方法の一例を示すフローチャート図である。適宜、図１，２等を参照して説明する。
１）ｓｔａｒｔ：多数個取り用の大判絶縁基板（Ｓｉ_３Ｎ_４等）を準備し、最終的に個片のチップ抵抗器とするためのサイズに合わせた分割用の溝を形成する。
２）ステップＳ１：絶縁基板１を酸処理する。具体的には、塩酸（ＨＣｌ）に絶縁基板１を浸漬する。
例えば、濃度:１〜５ｍｏｌ／Ｌ，処理時間：３０分〜１時間，処理槽温度：約１００℃である。塩酸の他に、硫酸や硝酸を使用することができる。基板に残りにくい点から塩酸や硝酸が好ましく、取り扱い安さの点から塩酸が好ましい。

３）ステップＳ２：酸処理した絶縁基板１を常温で放置して乾燥させ、同時に表面を酸化させて改質層１ａ，１ｂを形成する。なお、乾燥は加熱や送風により行うこともできる。本実施の形態では常温で放置して乾燥させることにより、基板に対して大きな温度変化を与えないようにした。
４）ステップＳ３：分割用の溝により囲まれた絶縁基板１の個片領域の上下面の両端部に電極５を形成する。例えば、銀系ペーストをスクリーン印刷し、８５０℃で焼成する。

５）ステップＳ４：絶縁基板１の一方の面の個片領域において電極５の間を跨ぐように、抵抗体３を形成する。例えば、酸化ルテニウムからなる抵抗ペーストをスクリーン印刷し、８５０℃で焼成することで抵抗体３を形成する（図６参照）。
６）ステップＳ５：抵抗体３の表面を覆うガラス保護膜１７を形成する。
７）ステップＳ６：レーザビーム等によって抵抗体３の一部にトリミング溝（切れ込み）２３を入れ、所望の抵抗値に調整する。

８）ステップＳ７：抵抗体３の表面全体と電極５の全体または一部を覆う樹脂保護膜２１を例えば２００℃で焼き付けることで形成する。
９）ステップＳ８：分割用の溝に沿って絶縁基板１を短冊状に分割する。
１０）ステップＳ９：絶縁基板１の両側端面２ｅ，２ｆにＮｉＣｒ合金材をスパッタリングして端面電極７を形成する。

１１）ステップＳ１０：短冊状に分割した基板をさらにチップ状に個片分割する。
１２）ステップＳ１１：電極５と端面電極７に、ニッケルめっき層／錫めっき層１５を順番に形成する。
処理を終了する（ｅｎｄ）。

以上のように、本実施の形態によれば、チップ抵抗器の基板として窒化ケイ素セラミックス基板を使用した場合において、焼成膜（抵抗体、電極）における膨れの発生を抑制することができる。また、これによって、チップ抵抗器の導通性や密着性を改善することができる。従って、小型・高電力・高耐熱性を兼ね備えた厚膜チップで抵抗器を得ることができる。

尚、上記においては、直方体形状の基板を用いた例について説明したが、他の立体形状、例えば円柱状の立体形状を有する基板を用いても良い。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、チップ抵抗器に利用できる。その他にもチップヒューズ等に利用できる。

１ 絶縁基板
１ａ、１ｂ 改質層
２ａ 表面
２ｂ 裏面
２ｃ、２ｄ 側面
２ｅ、２ｆ 端面
３ 抵抗体
５ 電極（表面）
３／５ 焼成膜
７ 端面電極
１１ 電極（裏面）
１５ めっき層
１７ ガラス保護膜
２１ 樹脂保護膜
２３ トリミング溝

Claims (8)

1. 直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に形成される抵抗体と、前記抵抗体の両端部に形成される電極を有する抵抗器であって、
   前記絶縁基板は窒化ケイ素セラミックスからなり、前記絶縁基板は表面に改質層が形成されているチップ抵抗器。
2. 前記絶縁基板はＳｉ_３Ｎ_４である、
   請求項１に記載のチップ抵抗器。
3. 前記改質層はＳｉＯ_２を含む、
   請求項１又は２に記載のチップ抵抗器。
4. 前記改質層は、焼結助剤が溶出された層である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のチップ抵抗器。
5. 前記改質層は、前記絶縁基板のバルク領域に比べて焼結助剤の組成が少ない、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載のチップ抵抗器。
6. 前記改質層は、前記絶縁基板の上下面に形成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載のチップ抵抗器。
7. 直方体形状の窒化ケイ素セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に形成される抵抗体と、前記抵抗体の両端部に形成される電極を有する抵抗器の製造方法であって、
   前記絶縁基板に酸処理を施し、次いで、酸化処理する工程を行い、その後に、前記抵抗体および電極を焼成により形成する工程を行う、ことを特徴とするチップ抵抗器の製造方法。
8. 前記酸処理は、塩酸への浸漬により行われる、
   請求項７に記載のチップ抵抗器の製造方法。