JP4750150B2 - 二重機能を有するサージ吸収材 - Google Patents

Description

本発明はサージ吸収材に関し、より具体的には、サージ吸収特性に加えキャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性、及びサーミスタ中の特性の内の１つを有する、二重機能を備えたサージ吸収材に関する。

サージ、または落雷、切り替え動作または他のパーツの損傷により生じる電気的な過大応力は、電子部品または他の敏感な電気機器に支障を来たす、あるいは損傷を与える可能性がある。したがって、優れたサージ吸収能力を有するサージアブソーバ（またはバリスタと呼ばれている）が、電気的な過大応力つまり電子部品、電子回路または電子機器のサージに対して保護策を講じるための部品として幅広く使用されている。

さらに、積層工程により単一の構造体としてさまざまな機能の２つの部品を組み合わせることがよく知られている傾向である。例えば、インダクタンス及びキャパシタンスは単一のＳＭＤ型（表面実装デバイス）の部品として組み合わされ、フィルター機能を有するインダクタンス−キャパシタンスフィルタ（ＬＣフィルタ）になる。あるいは、抵抗及びキャパシタンスは単一のＳＭＤ型の部品として組み合わされ、フィルター機能を有する抵抗−キャパシタンスフィルター（ＲＣフィルター）になる。

しかしながら、異なる機能の２つの部品が積層工程によって単一の構造体として組み合わされるとき、２つの部品の焼結温度及び収縮速度は異なるため、２つの部品間に残留応力が容易に生じ、その結果、異なる機能の２つの部品がともに単一の構造体に焼結され、分離及び無効果性の問題が生じる。

前述の問題を解決するために、いくつかの従来技術は２つの材料の接続を強化するためにサージアブソーバとセラミックコンデンサ間に配置される低温ガラスを開示している。中国公開番号第１，８５８，９９５号は、材料にサージアブソーバ及びインダクタの機能を与えるために、亜鉛酸化物と更に異なる要素から主に構成されるバリスタ層を開示しており、２つの層は積層工程によって組み合わされ、ともに焼結されている。

また、いくつかの研究では、２つの材料の焼結工程中の相互拡散性に起因する不良電気特性の問題を改善するために、容量が変化する絶縁層を２つの部品間に配置する。

しかしながら、前述の方法は多機能の部品を製造できるが、工程は相対的に複雑である。例えば、部品に電気特性を与えるためには、部品の２つの材料の中にガラスまたは容量が変化する絶縁層を追加する必要がある。さらに、このような工程では、異なる焼結大気を要する２つの部品をともに焼結することはできないため、製品が優れた電気特性を有することはない。

本発明の１つの目的は、二重機能を有するサージ吸収材を製造する方法を提供することである。一次分散方法、二次分散方法、または三次分散方法によって、ミクロン、サブミクロン及びナノメートルサイズの導電性粒子または半導電性粒子がガラス相の適切な材料に包まれ、その後、優れたサージ吸収特性を有するために焼結される。さらにガラス相の材料がキャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性及びサーミスタ中の特性の内の１つを備えた材料から選択されると、サージ吸収材は、サージ吸収特性に加え、キャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性、及びサーミスタ中の特性の１つを有する二重機能のある材料になり、異なる特性の２つの材料がともに単一の構造体に焼結さるときに生じる分離及び無効果性の問題を解決することができる。

本発明の他の目的は、材料組成が、ガラス基板中で分散されるミクロン、サブミクロン、及びナノメートルサイズを含む高抵抗及び低抵抗の導電性粒子または半導電性粒子を有するガラス基板を含む二重機能のサージ吸収材を提供することであり、特にサブミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子はミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子中で均一に分散され、ナノメートルサイズの導電性または半導電性粒子はサブミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子中で均一に分散される。

本発明のこのようなサージ吸収材が積層部品の製造に使用されるとき、単一の構造体として異なる材料を共燃焼する問題は必ずしもそれ以上検討されず、積層工程は相対的に簡略且つ容易である。

図１から図４に示されているように、本発明の積層チップサージアブソーバ２０を作るために適用されるサージ吸収材１０の微視的な組成は、ガラス基板１１中に均一に分散される、高抵抗及び低抵抗のミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１２と、サブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４、及びナノメートルの導電性粒子または半導電性粒子１６とを有するガラス基板１１を含む。

ミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１２の粒子直径は０．１μｍより大きく、サブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４の粒子直径は０．１から０．０１μｍの間であり、導電性粒子または半導電性粒子１６のナノメートルの粒子直径は０．０１μｍより小さい。

導電性粒子は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅおよびその合金の１つまたは複数から選択される。

半導電性粒子は、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＳｒＴｉＯ₃、及びＢａＴｉＯ₃の内の１つから選択される。

図１に示すように、本発明のサージ吸収材１０は、３から６０重量％で、ミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１２のガラス基板１１を含み、粒子直径はサージ吸収材１０の総重量に基づき、４０から９７重量％の０．１μｍを超えている。

また、図２に示すように、サージ吸収材１０の微視的な組成において、二次分散されたサブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４は、一次分散されたミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１２中で均一に分散されている。図３に示すように、三次分散されたナノメートルの導電性粒子または半導電性粒子１６は二次分散されたサブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４中で均一に分散されている。

したがって、サージ吸収材１０の微視的組成は、ガラス基板１１中に均一に分散された異なる粒子直径の三種類の低抵抗導電性粒子または半導電性粒子１２、１４、及び１６を含み、このような組成はサージ吸収材１０にサージアブソーバの特性を与える。

図４に示すように、積層チップサージアブソーバ２０のセラミック層２１は、本発明によるサージ吸収材１０により作られており、セラミック層２１は耐熱ガラス材料から作られ、セラミック層２１の微視的組成中に分散されているミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１２及びサブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４があるため、積層チップサージアブソーバ２０は静電ショック及びサージ過大応力から生じる熱に耐えられる。

とりわけ、二次分散されたサブミクロンの導電性粒子または半導電性粒子１４及び三次分散されたナノメートルの導電性粒子または半導電性粒子１６はセラミック層２１の中にさらに包含され、ナノメートルの導電性粒子または半導電性粒子１６の粒子距離は非常に小さいので、異常過大応力がかけられるとトンネル効果が発生する。したがって、積層チップサージアブソーバ２０は、優れた寿命だけではなく優れた電気的な過大応力抑制能力及び静電ショック抵抗も有する。

要するに、サージ吸収材１０は、キャパシタンスガラス状態部品、インダクタンスガラス状態部品、電圧抑制性ガラス状態部品、及びサーミスタガラス状態部品の内の１つからガラス基板１１を選ぶことによりサージ吸収特性に加えキャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性及びサーミスタ中の特性の内の１つを有する。すなわち、サージ吸収材１０は二重機能を有する材料である。

本発明の好適な実施形態によるサージ吸収材１０を製造する方法は、以下のステップを含む。

（１）サージ吸収材１０のガラス基板１１に、キャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性、及びサーミスタ中の特性の内の１つを与えるために適切なガラス相組成を選択し、ガラス相組成の溶液を作り出すためにゾルゲル法を使用する。

ガラス基板１１がキャパシタンスガラス状態組成であるとき、ガラス基板１１は、一般的なキャパシタンス特性、及び高誘電率のＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＣａＴｉＯ₃及びＴｉＯ２を有する、ケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス、及びリン酸塩ガラスから選択できる。

ガラス基板１１がインダクタンスガラス状態組成であるとき、ガラス基板１１は、一般的なインダクタンス特性の一連のＮｉ−ＺｎまたはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎインダクタンス材料、あるいは高周波数インダクタンス特性のＬＴＣＣ材料から選択できる。

ガラス基板１１が電圧抑制性ガラス状態組成であるとき、ガラス基板１１は、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴ及びＰＬＺＴ等の電気的な過大応力抑制材料であるはずである。

ガラス基板１１がサーミスタガラス状態組成であるとき、ガラス基板１１は、ＮＴＣ特性のＭｎ−Ｎｉ系またはＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉ系、あるいはＣＴＲ特性のＶ−Ｐ−Ｆｅ系等の一般的なサーミスタ特性を有するサーミスタ材料であるはずである。

（２）ナノメートルサイズの金属粒子または半導電性粒子をステップ（１）のガラス溶液中に均一に分散する。

ナノメートル粒子は０．０１μｍより小さい粒子直径を有し、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ等を備える金属導電性粒子、あるいはＳｉＣ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃等を備える半導電性粒子であるはずである。

（３）ステップ（２）でその中に分散されたナノメートルの金属粒子または半導電性粒子を有する溶液中に、サブミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子を均一に分散する。

（４）ステップ（３）でその中に分散されたサブミクロン及びナノメートルの金属粒子及び半導電性粒子を有する溶液中に、ミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子を均一に分散する。

（５）適切な温度（１０００℃より低い）でのステップ（４）の後に溶液を着色し、か焼し、次いで、本発明の好適な実施形態によるサージ吸収材１０になるために、それを複合材料に引き延ばす。

本発明のサージ吸収材１０は、サージ吸収特性に加えキャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性、及びサーミスタ中の特性の１つを有する。このように、多様な部品をサージ吸収材１０から作り出すとき、サージ吸収特性に加え、キャパシタンス、インダクタンス、電圧抑制性、及びサーミスタ間のどの特性が部品に提供されなければならないのか検討すべきである。

例えば、サージ吸収材１０がサージ吸収特性に加えてインダクタンス特性を有する材料であるとき、サージ吸収材１０は、電磁波妨害（ＥＭＩ）防止能力及び静電放電（ＥＳＤ）防止能力の両方を有するサージアブソーバまたはフィルタリング部品として作り出されてよい。さらに、このようなフィルタリング部品の材料は優れたサージ吸収能力及び静電吸収能力を有し、材料は複数回のサージ及び静電衝撃の後にも元の特性を保持する。

本発明の好適な一実施形態によるサージ吸収材の微視的組成を示す概略図である。 図１のＡ領域の拡大図である。 図２のＢ領域の拡大図である。 積層されたチップサージアブソーバを示す概略図である。

Claims (7)

1. 二重機能を有する微視的複合材料よりなるサージ吸収材であって、
   キャパシタンスガラス状態部品、インダクタンスガラス状態部品、電圧抑制性ガラス状態部品及びサーミスタガラス状態部品からなる群から選ばれたガラス基板のガラス相内に、一次分散方法、二次分散方法、または三次分散方法によってそれぞれ分散されるミクロン、サブミクロン及びナノメートルサイズの導電性粒子または半導電性粒子を包むサージ吸収材の総重量に基づいた３〜６０重量％のガラス基板と、
   一次分散方法により、ガラス相中に均一に分散され、粒子直径の平均が０．１μmを超えるミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子と、
   二次分散方法により、ミクロンサイズ粒子の一次分散とガラス相の中に均一に分散され、粒子直径の平均が０．１から０．０１μmの間のサブミクロンサイズの導電性粒子または半導電性粒子と、
   三次分散方法により、前記一次分散されたミクロンサイズ粒子、前記二次分散されたサブミクロンサイズ粒子、及びガラスマトリクス相の中に均一に分散され、粒子直径の平均が０．０１μm未満のナノメートルサイズの導電性粒子または半導電性粒子と、を含むことを特徴とする、
   サージ吸収材。
2. キャパシタンスガラス状態部品が、キャパシタンス特性、及び高誘電率のＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＣａＴｉＯ₃及びＴｉＯ₂を有するケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス、及びリン酸塩ガラスを備えることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。
3. インダクタンスガラス状態部品がインダクタンス特性の一連のＮｉ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎインダクタンス材料と、高周波数インダクタンス特性のＬＴＣＣ材料とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。
4. 電圧抑制性ガラス状態部品が、電気的な過大応力抑制特性のあるＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴ及びＰＬＺＴを備えることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。
5. サーミスタガラス状態部品が、ＮＴＣ特性のあるＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉ系、及びＣＴＲ特性のあるＶ−Ｐ−Ｆｅ系を備えることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。
6. 導電性粒子が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ及びその合金の１つまたは複数からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。
7. 半導電性粒子が、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＳｒＴｉＯ₃及びＢａＴｉＯ₃の１つまたは複数からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載のサージ吸収材。

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