JP2021012066A - 硫化検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】硫化検出導体の爆ぜを防止することができると共に、硫化の度合いを高精度に検出することができる硫化検出センサを提供する。【解決手段】硫化検出センサ１００は、直方体形状の絶縁基板１と、絶縁基板１の表面における長手方向両端部に形成された一対の表電極２，３と、表電極２，３間に形成された硫化検出導体４と、絶縁基板１の裏面における長手方向両端部に形成され一対の裏電極６，７と、裏電極６，７間に形成された抵抗体８と、抵抗体８を覆う第２保護膜９と、いずれか一方の表電極２と裏電極６を接続するように絶縁基板１の一端面に形成された端面電極１０と、表電極２と裏電極６および端面電極１０の表面を覆う半田付け用の第１外部接続層１１と、裏電極７の表面を覆う半田付け用の第２外部接続層１２と、第２表電極３の表面を覆うボンディング用の第３外部接続層１３とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、腐食環境の累積的な硫化量を検出するための硫化検出センサに関する。

一般的にチップ抵抗器等の電子部品の内部電極としては、比抵抗の低いＡｇ（銀）系の電極材料が使用されているが、銀は硫化ガスに曝されると硫化銀となり、硫化銀は絶縁物であることから、電子部品が断線してしまうという不具合が発生してしまう。そこで近年では、ＡｇにＰｄ（パラジウム）やＡｕ（金）を添加して硫化しにくい電極を形成したり、電極を硫化ガスが到達しにくい構造にする等の硫化対策が講じられている。

しかし、このような硫化対策を電子部品に講じたとしても、当該電子部品が硫化ガス中に長期間曝された場合や高濃度の硫化ガスに曝された場合は、断線を完全に防ぐことが難しくなるため、未然に断線を検知して予期せぬタイミングでの故障発生を防止することが必要となる。

そこで従来より、特許文献１に記載されているように、電子部品の累積的な硫化の度合いを検出して、電子部品が硫化断線する等して故障する前に危険性を検出可能とした硫化検出センサが提案されている。特許文献１に記載された硫化検出センサは、絶縁基板上にＡｇを主体とした硫化検出導体を形成し、この硫化検出導体を覆うように透明で硫化ガス透過性のある保護膜を形成すると共に、絶縁基板の両側端部に硫化検出導体に接続する端面電極を形成した構成となっている。

このように構成された硫化検出センサを他の電子部品と共に回路基板上に実装した後、該回路基板を硫化ガスを含む雰囲気で使用すると、硫化ガスが硫化検出センサの保護膜を透過して硫化検出導体に接するため、硫化ガスの濃度と経過時間に応じて硫化検出導体を構成する銀が硫化銀に変化し、それに伴って硫化検出センサの抵抗値が次第に上昇していき、最終的には硫化検出導体の断線に至る。したがって、硫化検出導体の抵抗値の変化や断線を検出することにより、硫化の度合いを検出することが可能となっている。

特開２００９−２５０６１１号公報

しかし、特許文献１に記載された硫化検出センサは、硫化ガスが硫化ガス透過性の保護膜を透過して硫化検出導体に接するようになっているため、硫化検出導体が保護膜に接する表面側から膜厚方向に硫化していく際に、膜厚の薄くなった硫化検出導体の発熱によって保護膜が変質してしまうことがある。その場合、保護膜による硫化ガスの透過性が低下するため、硫化ガスの検出精度が著しく悪化してしまうことになる。

なお、硫化検出導体を硫化ガス透過性の保護膜で被覆せず、硫化ガスが硫化検出導体に直接触れるように構成することも考えられるが、その場合、硫化によって膜厚の薄くなった硫化検出導体が発熱することで、硫化検出導体が断線する際に爆ぜやすくなり、硫化検出導体を構成する銀が周囲に飛散して回路基板上の回路を短絡させてしまう虞がある。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、硫化検出導体の爆ぜを防止することができると共に、硫化の度合いを高精度に検出することができる硫化検出センサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の硫化検出センサは、直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の表面における長手方向両端部に形成された一対の表電極と、一対の前記表電極間に形成された硫化検出導体と、前記絶縁基板の裏面における長手方向両端部に形成された一対の裏電極と、一対の前記裏電極間に形成された抵抗体と、前記抵抗体を覆う保護膜と、いずれか一方の前記表電極と該表電極に対応する前記裏電極を導通するように前記絶縁基板の長手方向一端面に形成された端面電極と、一対の前記表電極と一対の前記裏電極および前記端面電極の表面に形成された外部接続層と、を備えていることを特徴としている。

このように構成された硫化検出センサでは、硫化検出導体に流れる電流が抵抗体によって制限されるため、硫化に伴って膜厚の薄くなった硫化検出導体の発熱が抑制され、硫化検出導体が断線する際に爆ぜることを防止できる。また、硫化検出導体と抵抗体とが絶縁基板の表裏両面に振り分けて設けられているため、硫化検出導体を構成する銀が抵抗体側に拡散して検出精度に悪影響を及ぼすことがなくなり、さらに、表電極の表面に形成された外部接続層がワイヤボンディングの接続部として機能するため、立体的な配線構造を有する回路基板にも容易に実装することができる。

上記構成の硫化検出センサにおいて、裏電極が、絶縁基板の裏面上に形成された下地裏電極と、該下地裏電極上に積層された補助裏電極とを含んでおり、補助裏電極の表面高さが保護膜の表面高さよりも高く設定されていると、硫化検出導体が形成された絶縁基板の表面側を上向きにした姿勢で回路基板に実装した際に、絶縁基板の裏面側に形成された保護膜と回路基板との間に隙間が確保されるため、硫化検出センサを安定した姿勢で回路基板上に実装することができる。

本発明の硫化検出センサによれば、硫化検出導体が断線する際の爆ぜを防止することができると共に、硫化の度合いを高精度に検出することができ、しかも、立体的な配線構造を有する回路基板にも容易に実装することができる。

本発明の実施形態例に係る硫化検出センサの平面図である。 該硫化検出センサの裏面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 該硫化検出センサの製造工程を示す平面図である。 該硫化検出センサの製造工程を示す裏面図である。 該硫化検出センサの製造工程を示す断面図である。 該硫化検出センサを回路基板に実装した状態を示す説明図である。

以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態例に係る硫化検出センサの平面図、図２は該硫化検出センサの裏面図、図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態例に係る硫化検出センサ１００は、直方体形状の絶縁基板１と、絶縁基板１の表面における長手方向両端部に形成された第１表電極２および第２表電極３と、これら第１および第２表電極２，３間に形成された硫化検出導体４と、硫化検出導体４を覆う第１保護膜５と、絶縁基板１の裏面における長手方向両端部に形成された第１下地裏電極６ａおよび第２下地裏電極７ａと、第１下地裏電極６ａに積層されて第１裏電極６を形成する第１補助裏電極６ｂと、第２下地裏電極７ａに積層されて第２裏電極７を形成する第２補助裏電極７ｂと、第１および第２下地裏電極６ａ，７ａ間に形成された抵抗体８と、抵抗体８を覆う第２保護膜９と、第１表電極２と第１裏電極６を接続するように絶縁基板１の一端面に形成された端面電極１０と、第１表電極２と第１裏電極６および端面電極１０の表面を覆う第１外部接続層１１と、第２裏電極７の表面を覆う第２外部接続層１２と、第２表電極３の表面を覆う第３外部接続層１３と、を備えて構成されている。

絶縁基板１はセラミックス基板からなり、この絶縁基板１は後述する大判基板を縦横に延びる１次分割溝と２次分割溝に沿って分割して多数個取りされたものである。

第１表電極２と第２表電極３は、銀を主成分とするＡｇ系（Ａｇ−Ｐｄ）ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものからなり、これら第１および第２表電極２，３は絶縁基板１の表面上に所定間隔を存して形成されている。

硫化検出導体４は銀を主成分とするＡｇペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成したものであり、この硫化検出導体４の両端部は第１表電極２と第２表電極３に重ね合わされている。

第１保護膜５は、硫化ガス透過性の絶縁材料からなり、シリコン樹脂やフッ素樹脂等の樹脂ペーストをスクリーン印刷して加熱硬化させたものである。第１保護膜５は硫化検出導体４の全体を覆うように形成されており、この第１保護膜５を透過して硫化ガスが硫化検出導体４に接触するようになっている。

第１下地裏電極６ａと第２下地裏電極７ａは、銀を主成分とするＡｇ系（Ａｇ−Ｐｄ）ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させた焼成銀からなり、これら第１および第２下地裏電極６ａ，７ａは絶縁基板１の裏面上に所定間隔を存して形成されている。

第１補助裏電極６ｂと第２補助裏電極７ｂは、銀を主成分とするＡｇペーストをスクリーン印刷して加熱硬化させた樹脂銀からなり、第１補助裏電極６ｂは第１下地裏電極６ａに重ね合わされて２層構造の第１裏電極６を構成し、第２補助裏電極７ｂは第２下地裏電極７ａに重ね合わされて２層構造の第２裏電極７を構成している。

抵抗体８は酸化ルテニウム等の抵抗ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、抵抗体８の両端部は第１下地裏電極６ａと第２下地裏電極７ａに重ね合わされている。抵抗体８にはトリミング溝８ａが形成されており、このトリミング溝８ａによって抵抗体８の抵抗値が調整されている。

第２保護膜９はアンダーコート層とオーバーコート層の２層構造からなり、そのうちアンダーコート層はガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、オーバーコート層はエポキシ系樹脂ペーストをスクリーン印刷して加熱硬化させたものである。前述したトリミング溝８ａはアンダーコート層の上からレーザ光を照射することで形成され、第２保護膜９は抵抗体８の全体を覆うように形成されている。

端面電極１０は絶縁基板１の一端面（図示右端面）にＮｉ／Ｃｒ等をスパッタしたものであり、この端面電極１０は第１表電極２と第１裏電極６間を導通するように形成されている。

第１外部接続層１１と第２外部接続層１２および第３外部接続層１３は、電解メッキによって形成されたＮｉメッキ層と、Ｎｉメッキ層の表面に形成されたＳｎメッキ層との２層構造からなり、これら第１ないし第３外部接続層１１，１２，１３は同じメッキ工程で同時に形成される。第１外部接続層１１は、第１表電極２と端面電極１０および第１補助裏電極６ｂ（第１裏電極６）を覆うように形成され、第２外部接続層１２は第２補助裏電極７ｂ（第２裏電極７）を覆うように形成され、第３外部接続層１３は第２表電極３を覆うように形成されている。なお、第１外部接続層１１と第２外部接続層１２は半田付け用外部電極であり、第３外部接続層１３はボンディング用電極である。後述するように、硫化検出センサ１００を回路基板に実装する際に、回路基板の配線パターンに第１外部接続層１１と第２外部接続層１２が半田付けされ、第３外部接続層１３に対してワイヤが接続されるようになっている。

次に、上述の如く構成された硫化検出センサ１００の製造方法について、図４〜図６を参照しながら説明する。なお、図４（ａ）〜（ｇ）は大判基板を表面側から見た平面図、図５（ａ）〜（ｇ）は大判基板を背面側から見た裏面図、図６（ａ）〜（ｇ）は図４（ａ）〜（ｇ）の長手方向中央部に沿った１チップ相当分の断面図をそれぞれ示している。

まず、絶縁基板１が多数個取りされる大判基板を準備する。この大判基板には予め１次分割溝と２次分割溝が格子状に設けられており、両分割溝によって区切られたマス目の１つ１つが１個分のチップ領域となる。図４〜図６には１個分のチップ領域に相当する大判基板が代表して示されているが、実際は多数個分のチップ領域に相当する大判基板に対して以下に説明する各工程が一括して行われる。

すなわち、図４（ａ）と図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、この大判基板２０Ａの表面にＡｇ系ペースト（Ａｇ−Ｐｄ２０％）をスクリーン印刷した後、これを乾燥・焼成することにより、所定間隔を存して対向する第１表電極２と第２表電極３を形成する。また、これと同時あるいは前後して、大判基板２０Ａの裏面にＡｇ系ペースト（Ａｇ−Ｐｄ２０％）をスクリーン印刷した後、これを乾燥・焼成することにより、所定間隔を存して対向する第１下地裏電極６ａと第２下地裏電極７ａを形成する。

次に、図４（ｂ）と図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、大判基板２０Ａの表面に銀を主成分とするＡｇペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成することにより、第１表電極２と第２表電極３に接続する硫化検出導体４を形成する。また、これに前後して、大判基板２０Ａの裏面に酸化ルテニウム等の抵抗体ペーストをスクリーン印刷した後、これを乾燥・焼成することにより、第１下地裏電極６ａと第２下地裏電極７ａに接続する抵抗体８を形成する。

次に、図４（ｃ）と図５（ｃ）および図６（ｃ）に示すように、ガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成することにより、抵抗体８を覆うアンダーコート層を形成した後、このアンダーコート層の上から抵抗体８にトリミング溝８ａを形成して抵抗値調整する。しかる後、アンダーコート層の上からエポキシ系樹脂ペーストをスクリーン印刷し、これを加熱硬化してオーバーコート層を形成することにより、抵抗体８の全体を覆う２層構造の第２保護膜９を形成する。

次に、図４（ｄ）と図５（ｄ）および図６（ｄ）に示すように、シリコン樹脂やフッ素樹脂等の樹脂ペーストをスクリーン印刷して加熱硬化することにより、硫化検出導体４の全体を覆う第１保護膜５を形成する。

次に、図４（ｅ）と図５（ｅ）および図６（ｅ）に示すように、銀を含有する樹脂ペーストをスクリーン印刷して加熱硬化することにより、第１下地裏電極６ａに重なる第１補助裏電極６ｂと第２下地裏電極７ａに重なる第２補助裏電極７ｂとを形成する。これにより、第１下地裏電極６ａと第１補助裏電極６ｂを積層した２層構造の第１裏電極６と、第２下地裏電極７ａと第２補助裏電極７ｂを積層した２層構造の第２裏電極７とが形成される。

次に、大判基板２０Ａを一次分割溝に沿って短冊状基板２０Ｂに１次分割した後、短冊状基板２０Ｂの分割面にＮｉ／Ｃｒをスパッタすることにより、図４（ｆ）と図５（ｆ）および図６（ｆ）に示すように、短冊状基板２０Ｂの一端面に第１表電極２と第１裏電極６間を接続する端面電極１０を形成する。

次に、短冊状基板２０Ｂを二次分割溝に沿って複数のチップ状基板１０Ｃに２次分割し、これらチップ状基板１０Ｃに対して電解メッキを施してＮｉメッキ層とＳｎメッキ層を順次形成することにより、図４（ｇ）と図５（ｇ）および図６（ｇ）に示すように、第１外部接続層１１と第２外部接続層１２および第３外部接続層１３を同時に形成する。これにより、第１表電極２と端面電極１０および第１裏電極６の表面が第１外部接続層１１によって覆われ、第２裏電極７の表面が第２外部接続層１２によって覆われ、第２表電極３の表面が第３外部接続層１３によって覆われ、図１〜図３に示す硫化検出センサ１００が完成する。

図７に示すように、このように構成された硫化検出センサ１００は、段差のある回路基板３０上に半田付けとワイヤボンディングとを併用して実装可能となっている。この回路基板３０には、第１配線パターン３１と第２配線パターン３２が同一面上に設けられていると共に、別の第３配線パターン３３が段違いの面上に設けられており、硫化検出センサ１００は、第１外部接続層１１と第２外部接続層１２がそれぞれ第１配線パターン３１と第２配線パターン３２に半田３４で接続され、第３外部接続層１３がワイヤ３５を介して上段側の第３配線パターン３３に接続される。なお、硫化検出センサ１００は段差のない回路基板にも同様に実装することができ、その場合、回路基板の同一面上に設けられた３つの配線パターンに対し、第１外部接続層１１と第２外部接続層１２を一対の配線パターンに半田付けすると共に、第３外部接続層１３を別の配線パターンにワイヤを介して接続すれば良い。

使用に際し、回路基板３０に硫化検出センサ１００と図示せぬ他の電子部品を実装した後、この回路基板３０を硫化ガスを含む雰囲気に曝すと、硫化ガスが第１保護膜５を透過して硫化検出導体４に接するため、硫化ガスの濃度と経過時間に応じて硫化検出導体４の抵抗値が次第に上昇していき、最終的には硫化検出導体４の断線に至る。したがって、硫化検出導体４の抵抗値の変化や断線を検出することにより、硫化の度合いを検出することができる。

ここで、本実施形態例に係る硫化検出センサ１００では、硫化検出導体４に流れる電流が抵抗体８によって制限されるため、硫化に伴って膜厚の薄くなった硫化検出導体４の発熱が抑制され、硫化検出導体４が断線する際に爆ぜることを防止できる。また、これら硫化検出導体４と抵抗体８が絶縁基板１の表裏両面に振り分けて設けられているため、硫化検出導体４を構成する銀（Ａｇ）が抵抗体８側に拡散せず、抵抗体８を付設しても硫化検出導体４の検出精度に悪影響を及ぼすことはない。さらに、第２表電極３の表面に形成された第３外部接続層１３がワイヤボンディングの接続部として機能するため、立体的な配線構造を有する回路基板にも容易に実装することができる。

また、本実施形態例に係る硫化検出センサ１００では、抵抗体８に接続する第１裏電極６と第２裏電極７が、絶縁基板１の裏面上に形成された第１および第２下地裏電極６ａ，７ａと、それらに積層された第１および第２補助裏電極６ｂ，７ｂとの２層構造からなり、第１および第２補助裏電極６ｂ，７ｂの表面高さが抵抗体８を覆う第２保護膜９の表面高さよりも高く設定されている。これにより、絶縁基板１の表面側を上向きにした姿勢で硫化検出センサ１００を回路基板３０に実装した際に、絶縁基板１の裏面側に形成された第２保護膜９と回路基板３０との間に隙間が確保されるため、硫化検出センサ１００を安定した姿勢で回路基板３０上に実装することができる。

また、本実施形態例に係る硫化検出センサ１００では、硫化検出導体４が硫化ガス透過性の第１保護膜５によって覆われているため、硫化検出センサ１００の保管時や運送時等に硫化検出導体４が外部からの影響を受け難くなると共に、第１保護膜５から露出する第１表電極２と第２表電極３の表面に第１外部接続層１１と第３外部接続層１３を容易にメッキ形成することができる。ただし、第１保護膜５を省略して硫化検出導体４が外部に露出する構成にすることも可能であり、その場合は、硫化検出導体４を溶解剥離型のレジスト膜で被覆した状態で第１外部接続層１１と第３外部接続層１３をメッキ形成し、その後にレジスト膜を溶剤で剥離・除去して硫化検出導体４を露出させれば良い。

１ 絶縁基板
２ 第１表電極
３ 第２表電極
４ 硫化検出導体
５ 第１保護膜
６ 第１裏電極
６ａ 第１下地裏電極
６ｂ 第１補助裏電極
７ 第２裏電極
７ａ 第２下地裏電極
７ｂ 第２補助裏電極
８ 抵抗体
８ａ トリミング溝
９ 第２保護膜
１０ 端面電極
１１ 第１外部接続層
１２ 第２外部接続層
１３ 第３外部接続層
３０ 回路基板
３１ 第１配線パターン
３２ 第２配線パターン
３３ 第３配線パターン
３４ 半田
３５ ワイヤ
１００ 硫化検出センサ

Claims (2)

1. 直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の表面における長手方向両端部に形成された一対の表電極と、一対の前記表電極間に形成された硫化検出導体と、前記絶縁基板の裏面における長手方向両端部に形成された一対の裏電極と、一対の前記裏電極間に形成された抵抗体と、前記抵抗体を覆う保護膜と、いずれか一方の前記表電極と該表電極に対応する前記裏電極を導通するように前記絶縁基板の長手方向一端面に形成された端面電極と、一対の前記表電極と一対の前記裏電極および前記端面電極の表面に形成された外部接続層と、を備えていることを特徴とする硫化検出センサ。
2. 請求項１に記載の硫化検出センサにおいて、
   前記裏電極が、前記絶縁基板の裏面上に形成された下地裏電極と、該下地裏電極上に積層された補助裏電極とを含んでおり、前記補助裏電極の表面高さが前記保護膜の表面高さよりも高く設定されていることを特徴とする硫化検出センサ。

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