JP4915153B2 - Multilayer varistor - Google Patents

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本発明は、電圧非直線抵抗特性を有するセラミック素体内に複数の内部電極が配置されている積層バリスタに関し、より詳細には、ZnO系半導体セラミックスと、Ag系電極材料を用いて構成された内部電極とを有する積層バリスタに関する。   The present invention relates to a laminated varistor in which a plurality of internal electrodes are arranged in a ceramic body having voltage nonlinear resistance characteristics, and more specifically, an internal structure formed using a ZnO-based semiconductor ceramic and an Ag-based electrode material. The present invention relates to a laminated varistor having an electrode.

従来、過電圧からの保護やノイズ及び静電気からの保護を図るために、電圧非直線抵抗特性を有するバリスタが種々提案されている。また、電子機器の小型化や、回路の定格電圧の低電圧化に伴って、バリスタにおいては、小型であり、かつより低い電圧で駆動可能であることが強く求められている。そのため、半導体セラミック層を介して複数の内部電極が積層されているセラミック素体を用いた積層バリスタが広く用いられてきている。   Conventionally, various varistors having voltage non-linear resistance characteristics have been proposed in order to protect against overvoltage and noise and static electricity. In addition, as electronic devices are miniaturized and the rated voltage of a circuit is lowered, varistors are strongly required to be small and to be driven at a lower voltage. Therefore, a multilayer varistor using a ceramic body in which a plurality of internal electrodes are laminated via a semiconductor ceramic layer has been widely used.

もっとも、積層バリスタにおいて、小型化を進め、かつ駆動電圧を低めると、内部電極間のセラミック層の厚みが薄くならざるを得なかった。すなわち、バリスタ電圧は、電極間の粒界数に依存するので、バリスタ電圧を低めるには、内部電極間の粒界数を十数個以下程度とかなり少なくしなければならなかった。   However, in the multilayer varistor, when the size is reduced and the driving voltage is lowered, the thickness of the ceramic layer between the internal electrodes has to be reduced. That is, since the varistor voltage depends on the number of grain boundaries between the electrodes, in order to reduce the varistor voltage, the number of grain boundaries between the internal electrodes had to be considerably reduced to about ten or less.

そのため、ESDなどの超高圧パルスが積層バリスタに印加された場合、一粒界あたりのストレスが大きくなり、特性の劣化が生じやすくなるという問題があった。また、上記粒界数が少なくなると、粒径ばらつきの影響を受けやすくなるため、積層バリスタの特性のばらつきを小さくすることが困難であった。さらに、小型化を進めた場合、製造時の脱脂及び焼成に際して雰囲気の影響を受けやすくなり、製造に際しての焼成条件等の変動により特性がばらつくという問題もあった。   Therefore, when an ultra-high voltage pulse such as ESD is applied to the laminated varistor, there is a problem that the stress per grain boundary becomes large and the characteristics are likely to deteriorate. Further, when the number of grain boundaries is reduced, it becomes easy to be affected by the variation in the particle size, so it is difficult to reduce the variation in the characteristics of the laminated varistor. Furthermore, when downsizing is promoted, there is a problem that it is easily affected by the atmosphere at the time of degreasing and firing at the time of manufacture, and the characteristics vary due to fluctuations in the firing conditions at the time of manufacture.

他方、下記の特許文献1には、酸化亜鉛を主成分とし、副成分として、プラセオジムを全体の0.05〜3.0原子%、コバルトを全体の0.5〜10原子%、カリウム、ナトリウム、及びリチウムのうち少なくとも1種を総量で全体の0.005〜0.5原子%、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムの内少なくとも1種を総量で全体の2×10-5〜0.5原子%、ジルコニウムを全体の0.005〜5.0原子%の範囲で含むバリスタ用磁器組成物を用いた積層バリスタが開示されている。Bi系副成分を含むZnOを主体とする半導体セラミック材料に比べ、Pr系副成分を含むZnO系半導体セラミック材料では、低温で液相を形成したり、揮発したりするBi23などが含有されていない。従って、特許文献1に記載の積層バリスタでは、特性の安定化を図ることができる。しかも、上記特定の組成を有するため、積層バリスタにおいて、洩れ電流の抑制を図ることができ、かつサージ耐量やESD耐量を高め得るとされている。 On the other hand, in Patent Document 1 below, zinc oxide is the main component, and as a subcomponent, praseodymium is 0.05 to 3.0 atomic percent of the whole, cobalt is 0.5 to 10 atomic percent of the whole, potassium, sodium. , And at least one of lithium in a total amount of 0.005 to 0.5 atomic percent of the total, and at least one of aluminum, gallium, and indium in a total amount of 2 × 10 −5 to 0.5 atomic percent of the total A multilayer varistor using a porcelain composition for varistors containing zirconium in a total range of 0.005 to 5.0 atomic% is disclosed. Compared with ZnO-based semiconductor ceramic materials containing Bi-based subcomponents, ZnO-based semiconductor ceramic materials containing Pr-based subcomponents contain Bi 2 O 3 that forms a liquid phase or volatilizes at a low temperature. It has not been. Therefore, in the multilayer varistor described in Patent Document 1, the characteristics can be stabilized. Moreover, since it has the above-mentioned specific composition, it is said that in the multilayer varistor, leakage current can be suppressed and surge resistance and ESD resistance can be increased.

なお、特許文献1では積層バリスタの内部電極としては、実施例において、Ptからなる内部電極が示されている。   In Patent Document 1, as an internal electrode of a laminated varistor, an internal electrode made of Pt is shown in the embodiment.

他方、下記の特許文献2には、同様にPrを副成分として含むZnO系半導体セラミック組成物を用いた積層バリスタが開示されている。すなわち、ZnOを主成分とし、これにPr酸化物をPrに換算して0.005〜5モル%含有してなるセラミックスからなる焼結体内に、Ag−Pd合金からなる内部電極が形成されている積層バリスタが開示されている。ここでは、上記特定のPrを副成分として含む組成のZnO系半導体セラミック材料を用いることにより、積層バリスタの電気的特性の悪化を回避しつつ、内部電極に採用される金属材料のコストを低減することができるとされている。
特開2004−140334号公報 特開平5−283209号公報
On the other hand, the following Patent Document 2 discloses a multilayer varistor using a ZnO-based semiconductor ceramic composition containing Pr as an accessory component. That is, an internal electrode made of an Ag—Pd alloy is formed in a sintered body made of ceramics containing ZnO as a main component and containing 0.005 to 5 mol% of Pr oxide in terms of Pr. A laminated varistor is disclosed. Here, by using the ZnO-based semiconductor ceramic material having the composition containing the specific Pr as a subcomponent, the deterioration of the electrical characteristics of the multilayer varistor is avoided, and the cost of the metal material used for the internal electrode is reduced. It is supposed to be possible.
JP 2004-140334 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-283209

特許文献1に記載の積層バリスタでは、内部電極がPtからなるので、コストが高くつかざるを得なかった。また、Ptは融点が1700℃程度と高く、Ptからなる内部電極材料とセラミック材料とを一体焼成したとしてもPtがセラミック層に拡散しにくい。このため、焼成時の内部電極材料のセラミック層への拡散については一切考慮されていなかった。   In the multilayer varistor described in Patent Document 1, the internal electrode is made of Pt, so the cost has to be high. Further, Pt has a high melting point of about 1700 ° C., and even if the internal electrode material made of Pt and the ceramic material are integrally fired, Pt hardly diffuses into the ceramic layer. For this reason, no consideration was given to the diffusion of the internal electrode material into the ceramic layer during firing.

他方、特許文献2には、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミック材料を用いたセラミック素体内に、Ag−Pd合金からなる内部電極が設けられている積層バリスタが開示されており、ここでは、内部電極がAg−Pd合金からなるため、コストが低減される。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a multilayer varistor in which an internal electrode made of an Ag—Pd alloy is provided in a ceramic body using a ZnO-based semiconductor ceramic material containing Pr as an auxiliary component. Since the internal electrode is made of an Ag—Pd alloy, the cost is reduced.

しかしながら、特許文献2に記載の組成のZnO系半導体セラミックスを用い、内部電極としてAg−Pd合金からなる内部電極を形成した場合、ESD耐性が十分に高くならなかった。   However, when the ZnO-based semiconductor ceramic having the composition described in Patent Document 2 was used and an internal electrode made of an Ag—Pd alloy was formed as the internal electrode, the ESD resistance was not sufficiently increased.

すなわち、特許文献2では、上記特定の組成を用いることにより、Ag−Pd合金からなる内部電極を採用した場合であっても、ESD耐性を十分に高めることはできなかった。   That is, in Patent Document 2, by using the specific composition, even when an internal electrode made of an Ag—Pd alloy is employed, the ESD resistance cannot be sufficiently increased.

また、例えば125℃の高温状態でバリスタ電圧の65%の電圧を印加した状態で1000時間放置した際の抵抗の経時変化率が高く、信頼性が十分に得られないことが分かった。   Further, it has been found that, for example, when the voltage of 65% of the varistor voltage is applied at a high temperature of 125 ° C. and left for 1000 hours, the rate of change with time is high, and sufficient reliability cannot be obtained.

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミックス材料を用いて構成されたセラミック素体を有し、しかも内部電極が安価なAg及びPdを主成分として含む材料からなるにもかかわらず、特性のばらつきの低減及びコストの低減を果たし得るだけでなく、ESD耐性などの電気的特性の低下が抑制され、かつ高温負荷時の信頼性の優れた積層バリスタを提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described disadvantages of the prior art, and to have a ceramic body composed of a ZnO-based semiconductor ceramic material containing Pr as an auxiliary component, and further, Ag and Pd whose internal electrodes are inexpensive. Despite being made of the material included as the main component, it not only can reduce variation in characteristics and cost, but also suppresses deterioration of electrical characteristics such as ESD resistance and has excellent reliability at high temperature load It is to provide a laminated varistor.

本発明によれば、半導体セラミック材料からなる複数のセラミック層と、前記セラミック層間の所定の界面に沿って形成された複数の内部電極とを積層してなるセラミック素体と、前記内部電極と電気的に接続されるように形成された外部電極とを備える積層バリスタであって、前記セラミック層はZnOを主成分とし、副成分として、Prを全体の0.1〜5.0原子%、Coを1.0〜5.0原子%、Al、Ga、及びInのうち少なくとも1種を総量で0.002〜0.2原子%、Ca、Sr及びBaのうち少なくとも1種を総量で0.005〜0.5原子%、Zrを0.01〜0.2原子%含み、かつ、前記内部電極がAg及びPdを含み前記内部電極におけるAgの含有量が10原子%以上60原子%以下であることを特徴とする、積層バリスタが提供される。 According to the present invention, a ceramic body formed by laminating a plurality of ceramic layers made of a semiconductor ceramic material and a plurality of internal electrodes formed along a predetermined interface between the ceramic layers; A multilayer varistor including external electrodes formed so as to be connected to each other, wherein the ceramic layer has ZnO as a main component, Pr as a subcomponent, 0.1 to 5.0 atomic% of the whole, Co 1.0 to 5.0 atomic percent, at least one of Al, Ga, and In in a total amount of 0.002 to 0.2 atomic percent, and at least one of Ca, Sr, and Ba in a total amount of 0.0. 005 to 0.5 atomic%, wherein the Zr 0.01 to 0.2 atomic%, and the internal electrodes 10 atomic% to 60 atomic% Ag content of Ag and Pd in unrealized said internal electrodes and characterized in that Laminated varistor is provided.

本発明の積層バリスタにおいて、上記のように、ESD耐性が効果的に得られるのは、以下の理由によると考えられる。   In the multilayer varistor of the present invention, the ESD resistance can be effectively obtained as described above because of the following reasons.

Biを副成分として含むZnO系半導体セラミックスに比べ、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミックスは、より高い温度で焼成されねばならなかった。これは、Biを副成分として含むZnO系半導体セラミックスでは、Bi23が800℃以上の温度で液相を形成し、ZnOの粒成長や焼結を促進するため、比較的低温で焼成されやすい。これに対して、Prを副成分とするZnO系半導体セラミックスでは、Pr611が1100℃程度までZnOの粒成長を阻害する。また低温で液相を形成する材料が含有されていないため、一般に、1000℃以上、好ましくは1150℃〜1250℃と比較的高い温度で焼成する必要があった。 Compared to ZnO-based semiconductor ceramics containing Bi as a subcomponent, ZnO-based semiconductor ceramics containing Pr as a subcomponent had to be fired at a higher temperature. This is because in ZnO-based semiconductor ceramics containing Bi as a subcomponent, Bi 2 O 3 forms a liquid phase at a temperature of 800 ° C. or higher, and promotes grain growth and sintering of ZnO. Cheap. On the other hand, in a ZnO-based semiconductor ceramic having Pr as a subcomponent, Pr 6 O 11 inhibits ZnO grain growth up to about 1100 ° C. In addition, since a material that forms a liquid phase at a low temperature is not contained, it is generally necessary to fire at a relatively high temperature of 1000 ° C. or higher, preferably 1150 ° C. to 1250 ° C.

本願発明者は、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミックスのESD耐性の低下や、高温負荷時の信頼性の低下は、上記のような高温での焼成によって、内部電極を構成しているAg−Pd電極材料のAgがセラミック層へ拡散することが関与しているのではないかと考えた。   The inventor of the present application has found that the decrease in ESD resistance of ZnO-based semiconductor ceramics containing Pr as a subcomponent and the decrease in reliability at high temperature load are the internal electrodes constituting the internal electrode by firing at a high temperature as described above. -It was thought that Ag of Pd electrode material might be concerned with spreading | diffusion to a ceramic layer.

そこで、本願発明者は、このような問題点を解決すべく検討した結果、上記のようにPrを副成分として含むZnO系半導体セラミックスにおいて、上記特定のセラミックス組成、すなわちPrをセラミック層全体の0.1〜5.0原子%、Coをセラミック層全体の1.0〜5.0原子%、Al、Ga及びInのうち少なくとも1種を総量でセラミック層全体の0.002〜0.2原子%、Ca、Sr及びBaのうち少なくとも1種を総量でセラミック層全体の0.005〜0.5原子%、及びZrをセラミック層全体の0.01〜0.2原子%含む組成とすれば、Agの拡散によるESD耐性の低下を効果的に抑制し、高温負荷時の信頼性を向上できることを見出し、本発明をなすに至った。   Therefore, as a result of studying to solve such problems, the inventor of the present application, as described above, in the ZnO-based semiconductor ceramics containing Pr as an accessory component, the specific ceramic composition, that is, Pr is 0% of the entire ceramic layer. 0.1-5.0 atomic%, Co: 1.0-5.0 atomic% of the entire ceramic layer, and at least one of Al, Ga and In in total amount of 0.002-0.2 atomic% of the entire ceramic layer %, Ca, Sr, and Ba in a total amount of 0.005 to 0.5 atomic% of the entire ceramic layer and Zr of 0.01 to 0.2 atomic% of the entire ceramic layer. The present inventors have found that it is possible to effectively suppress a decrease in ESD resistance due to diffusion of Ag and to improve the reliability at high temperature load, thereby achieving the present invention.

上記のような構成を有することで、Agの拡散を効果的に抑制し、ESD耐性の低下を抑制することができ、かつ高温負荷時の信頼性の低下を防ぐことができる。これは、Agの拡散の内、ZnO粒界を伝ってAgが拡散する粒界拡散と、ZnO粒内に固溶しながら拡散する粒内拡散の2つの拡散を抑制できたためと推測される。   By having the above-described configuration, it is possible to effectively suppress the diffusion of Ag, suppress a decrease in ESD resistance, and prevent a decrease in reliability at a high temperature load. This is presumably because two diffusions of Ag, namely, the grain boundary diffusion in which Ag diffuses through the ZnO grain boundary and the intragranular diffusion that diffuses while dissolving in the ZnO grain can be suppressed.

より具体的に説明すると、本願発明者は、Agの拡散により信頼性低下を抑制するためには、AgのZnO粒界及びZnO粒内の拡散の両方を抑制する必要があると考えた。従来、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミックスは、緻密な微細構造を得ようとすると、Bi系と比較して高い焼成温度を必要とした。そして、焼成温度を低くしたい場合には、低温で液相を形成するCa等の多量のアルカリ土類金属などの物質を添加する方法が知られている。しかしながら、このような物質を多量に添加した場合には、焼成温度は低くできるものの、液相の存在により、Agの拡散が助長されると考えた。また、ZnO中に固溶するCoやAlのうち、特にCoを副成分として添加される材料の中でも多く添加し、ZnO中に固溶しておけば、ZnO粒子内へのAgの固溶許容量が低くなると考
えた。そこで、上記粒界拡散を抑制するために、液相形成物質の含有割合をできるだけ少なくし、かつZnO粒内に固溶しやすいCoを本発明の所定の範囲とすることによって、Agの拡散を効果的に抑制できたと考える。
More specifically, the present inventor considered that it is necessary to suppress both diffusion of Ag in ZnO grain boundaries and diffusion in ZnO grains in order to suppress a decrease in reliability by diffusion of Ag. Conventionally, ZnO-based semiconductor ceramics containing Pr as an auxiliary component required a higher firing temperature than Bi-based materials in order to obtain a dense microstructure. When it is desired to lower the firing temperature, a method is known in which a large amount of an alkaline earth metal such as Ca that forms a liquid phase at a low temperature is added. However, when such a substance was added in a large amount, it was thought that although the firing temperature could be lowered, the diffusion of Ag was promoted by the presence of the liquid phase. Further, among Co and Al dissolved in ZnO, in particular, if Co is added in a large amount of materials added as a subsidiary component and dissolved in ZnO, solid solution of Ag into ZnO particles is allowed. I thought the capacity would be lower. Therefore, in order to suppress the above-mentioned grain boundary diffusion, the content ratio of the liquid phase forming substance is reduced as much as possible, and Co which is easily dissolved in the ZnO grains is set within the predetermined range of the present invention, whereby the diffusion of Ag is reduced. We think that we were able to suppress effectively.

すなわち、アルカリ土類金属としてのCa、Sr、及びBaのうち、少なくとも1種を総量で全体の0.005〜0.5原子%、かつ、Coは1.0原子%〜5.0原子%となるような関係にし、さらに、上述のように副成分の添加材料及び添加量を本発明とすることによって、Agの拡散を抑制し、ESD耐性の低下を抑制し、高温負荷試験での信頼性の優れた積層バリスタが得られることを見いだした。   That is, at least one of Ca, Sr, and Ba as an alkaline earth metal in a total amount of 0.005 to 0.5 atomic%, and Co is 1.0 atomic% to 5.0 atomic%. In addition, by making the additive material and addition amount of the subcomponents as described above, the diffusion of Ag is suppressed, the deterioration of the ESD resistance is suppressed, and the reliability in the high temperature load test is as described above. We have found that a laminated varistor with excellent properties can be obtained.

なお、Coが全体の5.0原子%を超えると、後述の実施例から明らかなように、ESD耐性が低下し、高温負荷試験で不良品が発生したりする。従って、Co含有量は、全体の1.0〜5.0原子%の範囲とされている。   In addition, when Co exceeds 5.0 atomic% of the whole, as will be apparent from Examples to be described later, ESD resistance is reduced, and defective products are generated in a high-temperature load test. Therefore, the Co content is in the range of 1.0 to 5.0 atomic% of the whole.

また、内部電極近傍に拡散したAgは、アクセプターとして作用するため、予めAgの拡散を抑制するために、ドナーとしてAl、Ga、及び/またはInを添加しておくことが望ましく、そのため、本発明では、Al、Ga及びInの内少なくとも1種が総量で全体の0.002〜0.2原子%の割合で添加されている。   In addition, since Ag diffused in the vicinity of the internal electrode acts as an acceptor, it is desirable to add Al, Ga, and / or In as a donor in advance in order to suppress the diffusion of Ag. Then, at least one of Al, Ga and In is added in a total amount of 0.002 to 0.2 atomic%.

なお、これらの添加量が0.002原子%未満では、Al、Ga及びInのうち、少なくとも1種を添加した効果が十分でなく、0.2原子%を超えると、後述の実施例から明らかなようにドナー濃度の過度の上昇により粒界障壁が低くなり高温負荷試験やESD試験にて劣化が発生するようになる。   In addition, when these addition amounts are less than 0.002 atomic%, the effect of adding at least one of Al, Ga and In is not sufficient. As described above, the excessive increase in the donor concentration lowers the grain boundary barrier and causes deterioration in the high temperature load test or ESD test.

上記のように、本発明では、ZnO粒子内に固溶するCoの割合を1.0〜5.0原子%とし、ZnO粒界にはじき出されるCaなどのアルカリ土類金属を0.005〜0.5原子%とすることにより、AgのZnO粒子内あるいはZnO粒界への拡散が抑制されていると考えられる。そして、さらに、Agは内部電極近傍に、拡散しやすいがドナーとしてのAl、Ga及び/またはInを所定量添加することによりアクセプターとして作用するAgの影響が抑制され、信頼性がより一層高められていると考えられる。   As described above, in the present invention, the proportion of Co dissolved in ZnO particles is set to 1.0 to 5.0 atomic%, and alkaline earth metals such as Ca ejected to the ZnO grain boundary are added to 0.005 to 0. By setting the content to 0.5 atomic%, it is considered that diffusion of Ag into the ZnO particles or ZnO grain boundaries is suppressed. Further, Ag is easily diffused in the vicinity of the internal electrode, but by adding a predetermined amount of Al, Ga and / or In as a donor, the influence of Ag acting as an acceptor is suppressed, and the reliability is further enhanced. It is thought that.

なお、特許文献2において十分な信頼性が得られなかったのは、Ag−Pd電極を使用するためにPdと反応しやすいBi23を添加せずPr23を添加し、焼成温度を950℃程度とすることによりAgの拡散を抑制しているが、逆に十分緻密な焼結体が得られ難かったものと思われる。またCoを1.0〜5.0原子%かつアルカリ土類金属を0.005〜0.5原子%の範囲で含まず、ドナー元素としてのAl、Ga及びIn等が添加されていないため、粒内抵抗が高く、粒界障壁の均一化がなされていないため電気的ストレスが局所に集中し、上記のような信頼性の低下を引き起こしたものと考えられる。 In addition, in Patent Document 2, sufficient reliability was not obtained because Pr 2 O 3 was added without adding Bi 2 O 3 which easily reacts with Pd in order to use an Ag—Pd electrode, and the firing temperature. However, it is considered that a sufficiently dense sintered body was hardly obtained. Further, Co is not included in the range of 1.0 to 5.0 atomic% and alkaline earth metal in the range of 0.005 to 0.5 atomic%, and Al, Ga, In and the like as a donor element are not added. It is considered that the intragranular resistance is high and the grain boundary barrier is not made uniform, so that electrical stress is concentrated locally, causing the above-described decrease in reliability.

一方、本願発明は、焼成温度が高いため、Agの拡散が助長されると考えられていたが、本願発明のようにCoおよびアルカリ土類金属を所定の量とすることにより、例え、焼成温度が高い状態であっても、Agの拡散を抑制することができ、ESD耐性などの電気的特性の低下が抑制され、かつ高温負荷時において優れた信頼性が得られるという点は新たな知見である。   On the other hand, the present invention was thought to promote the diffusion of Ag due to the high firing temperature. However, by using a predetermined amount of Co and alkaline earth metal as in the present invention, for example, the firing temperature It is a new finding that even in a high state, diffusion of Ag can be suppressed, deterioration of electrical characteristics such as ESD resistance can be suppressed, and excellent reliability can be obtained at high temperature load. is there.

加えて、本発明では、内部電極が、Ag及びPdを主成分とするため、単にコストを低減し得るだけでなく、Pdに対し、Agを加えることにより、Pdの酸化還元が抑制され、特性ばらつきを低減することができる。Pdは、Ptとは異なり、焼成時に酸化還元反応を起こしやすい。この酸化還元反応により、粒界障壁の形成に寄与している酸素が奪われ、絶縁抵抗や電圧非直線性が低下し、特性ばらつきが生じる。そのため、一般的に酸素雰囲気にて焼成を行うが、焼成炉の対流などの影響により焼成炉全体での雰囲気を均一にすることが難しく、多量に生産する際にはそれらの影響により特性ばらつきが大きくなりがちであり、綿密な雰囲気制御が必要となる。これは、小型化・低バリスタ電圧化をすすめるにあたりより顕著に生じる。   In addition, in the present invention, since the internal electrode is mainly composed of Ag and Pd, not only can the cost be reduced, but addition of Ag to Pd suppresses oxidation and reduction of Pd, and the characteristics. Variations can be reduced. Unlike Pt, Pd tends to cause an oxidation-reduction reaction during firing. By this oxidation-reduction reaction, oxygen contributing to the formation of the grain boundary barrier is deprived, the insulation resistance and the voltage non-linearity are lowered, and characteristic variation occurs. Therefore, firing is generally performed in an oxygen atmosphere, but it is difficult to make the atmosphere in the entire firing furnace uniform due to the influence of the convection of the firing furnace. It tends to be large and requires careful atmosphere control. This occurs more remarkably when the miniaturization and the low varistor voltage are promoted.

本発明では、Pdだけでなく、Agをも含む内部電極とすることにより、Pdが酸化還元される温度をより低温側へシフトできるので、このようなPdの酸化還元が抑制され、それによって絶縁抵抗や電圧非直線性の低下、及び特性のばらつきを抑制することができる。また、酸素雰囲気焼成の必要が無いため、大量に生産する際の特性ばらつきなどの問題が低減され、安定して生産することが可能となる。   In the present invention, the internal electrode containing not only Pd but also Ag can shift the temperature at which Pd is oxidized / reduced to a lower temperature side, so that such Pd oxidation / reduction is suppressed, thereby insulating the Pd. It is possible to suppress a decrease in resistance and voltage nonlinearity and variation in characteristics. In addition, since there is no need for oxygen atmosphere firing, problems such as characteristic variations when producing in large quantities are reduced, and stable production becomes possible.

以上のような内部電極を有することで、本発明に係る積層バリスタは、ESD耐性などの電気的特性の低下を抑制し、改善を図ることが可能とされている。また、特性のばらつきの低減及び電極材料のコストの低減を果たし得ることができる。   By having the internal electrodes as described above, the multilayer varistor according to the present invention can suppress and improve the electrical characteristics such as ESD resistance. Further, it is possible to reduce the variation in characteristics and the cost of the electrode material.

本発明に係る積層バリスタのある特定の局面では、前記セラミック層に含まれるZrの総量が全体の0.01〜0.08原子%含む。   In a specific aspect of the multilayer varistor according to the present invention, the total amount of Zr contained in the ceramic layer includes 0.01 to 0.08 atomic% of the whole.

本発明に係る積層バリスタのさらに別の特定の局面では、前記セラミック層中に含まれるCoの含有量(原子%)をx、前記内部電極に含まれるAgの含有量(原子%)をyとしたとき、0.05≦x/y≦0.5である。   In still another specific aspect of the multilayer varistor according to the present invention, the Co content (atomic%) contained in the ceramic layer is x, and the Ag content (atomic%) contained in the internal electrode is y. Then, 0.05 ≦ x / y ≦ 0.5.

本発明に係る積層バリスタでは、半導体セラミック材料からなる複数のセラミック層と、前記セラミック層間の所定の界面に沿って形成された複数の内部電極とを積層してなるセラミック素体と、前記内部電極と電気的に接続されるように形成された外部電極とを備える積層バリスタにおいて、セラミック素体が、上記特定の組成を有するため、Ag及びPdを主成分として含む内部電極を形成した場合、単に内部電極材料のコストを低減することができるだけでなく、焼成に際してのAgの拡散を抑制し、それによってESD耐性を効果的に高めることが可能となる。   In the multilayer varistor according to the present invention, a ceramic body formed by laminating a plurality of ceramic layers made of a semiconductor ceramic material and a plurality of internal electrodes formed along a predetermined interface between the ceramic layers, and the internal electrodes In the multilayer varistor including the external electrode formed so as to be electrically connected to the ceramic body, since the ceramic body has the specific composition, when the internal electrode containing Ag and Pd as main components is formed, Not only can the cost of the internal electrode material be reduced, but it is also possible to suppress the diffusion of Ag during firing, thereby effectively increasing the ESD resistance.

すなわち、本発明によれば、Prを副成分として含むZnO系半導体セラミックスを用いてセラミック素体が形成されているため、特性のばらつきが少なく、かつAg及びPdを主成分とする内部電極が採用されていることによりコストが低減されているだけでなく、上記ZnO系半導体セラミック材料が、ZnOを主成分とし、副成分として、Prを全体の0.1〜5.0原子%、Coを全体の1.0〜5.0原子%、Al、Ga、及びInのうち少なくとも1種を総量で全体の0.002〜0.2原子%、Ca、Sr及びBaのうち少なくとも1種を総量で全体の0.005〜0.5原子%、Zrを全体の0.01〜0.2原子%含む組成を有するため、ESD耐性を効果的に高めることができる。そのため、信頼性に優れ、安価であり、かつ特性の優れた積層バリスタを提供することができる。   In other words, according to the present invention, since the ceramic body is formed using ZnO-based semiconductor ceramics containing Pr as a subcomponent, the internal electrode mainly composed of Ag and Pd is employed with little variation in characteristics. In addition to the cost being reduced, the ZnO-based semiconductor ceramic material has ZnO as a main component and, as a subcomponent, Pr is 0.1 to 5.0 atomic% of the whole and Co is the whole. 1.0-5.0 atomic% of the total, at least one of Al, Ga, and In in total amount 0.002-0.2 atomic% of the total, and at least one of Ca, Sr, and Ba in total amount Since it has a composition containing 0.005 to 0.5 atomic% of the whole and 0.01 to 0.2 atomic% of the whole of Zr, ESD resistance can be effectively increased. Therefore, it is possible to provide a laminated varistor having excellent reliability, low cost, and excellent characteristics.

特に、セラミック素体において、Zrが全体の0.01〜0.08原子%の範囲で含有されている場合には、ESD耐性が改善されるので好ましく、かつ積層バリスタの信頼性を効果的に高めることが可能となる。   In particular, in the ceramic body, when Zr is contained in the range of 0.01 to 0.08 atomic% of the whole, it is preferable because ESD resistance is improved, and the reliability of the laminated varistor is effectively improved. It becomes possible to raise.

また、内部電極におけるAgの配合割合が10〜60原子%の範囲とされているので、絶縁抵抗及び電圧非直線性を改善することができ、さらにバリスタ電圧V1mAのばらつきを低減することができる。よって、様々な電気的特性において優れた積層バリスタを提供することができる。
Further, since the proportion of Ag in the internal electrodes is in the range of 10 to 60 atomic%, it is possible to improve the insulation resistance and voltage nonlinearity, is possible to further reduce the variation in the varistor voltage V 1 mA it can. Therefore, it is possible to provide a laminated varistor that is excellent in various electrical characteristics.

さらに、セラミック層に含まれるCoの含有量(原子%)をx、前記内部電極に含まれるAgの含有量(原子%)をyとしたとき0.05≦x/y≦0.5の範囲とされている場合が好ましい。Ag比率が高くなると、一部のAgが内部電極引出し部分からセラミック素体外に飛散が顕著になる。この際、セラミックスの酸素を奪うために、粒界障壁が低下して絶縁抵抗が低下するという新たな問題が発生する。この問題は、よりいっそうの低電圧化、例えばバリスタ電圧が9V以下のような場合、より顕著に表れる。これに対して、内部電極のAg比率を高くするにつれて、Coがセラミック層中により多く含めれば、絶縁抵抗の低下が抑制され、Ag比率の高い内部電極を使用した場合でも、絶縁抵抗、電圧比直線性が優れ、及びV1mAばらつきの小さい、高い信頼性を有する積層バリスタを提供することができることが可能となる。 Further, when the Co content (atomic%) contained in the ceramic layer is x and the Ag content (atomic%) contained in the internal electrode is y, a range of 0.05 ≦ x / y ≦ 0.5. Is preferred. As the Ag ratio increases, a part of Ag is significantly scattered from the internal electrode lead-out portion to the outside of the ceramic body. At this time, in order to deprive the ceramics of oxygen, a new problem arises that the grain boundary barrier is lowered and the insulation resistance is lowered. This problem appears more prominently when the voltage is further lowered, for example, when the varistor voltage is 9 V or less. On the other hand, as the Ag ratio of the internal electrode is increased, if more Co is included in the ceramic layer, the decrease in insulation resistance is suppressed, and even when the internal electrode having a high Ag ratio is used, the insulation resistance and voltage ratio are reduced. It becomes possible to provide a highly reliable multilayer varistor having excellent linearity and small variations in V 1 mA.

以下、本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。   Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific examples of the present invention.

(実験例1)
主成分であるZnOに対し、Co、Pr、Ca、Al、及びZrが焼成後に下記の表1の組成比となるように、出発原料として、ZnO、Pr611、CoCO3、Al23、CaCO3、ZrO2の各材料と、分散剤及びイオン交換水を秤量し、PSZボールを用いて、24時間湿式混合した。なお、本実験例では、上記添加元素は、酸化物または炭酸塩の形態で添加したが、金属または水酸化物などの他の形態で添加してもよい。
(Experimental example 1)
As starting materials, ZnO, Pr 6 O 11 , CoCO 3 , Al 2 O are used so that Co, Pr, Ca, Al, and Zr have the composition ratio shown in Table 1 below after firing with respect to ZnO as the main component. 3 , each material of CaCO 3 and ZrO 2 , a dispersant and ion-exchanged water were weighed and wet-mixed for 24 hours using PSZ balls. In this experimental example, the additive element is added in the form of an oxide or carbonate, but may be added in another form such as a metal or a hydroxide.

上記のようにして得た混合スラリーを脱水し、乾燥した後、大気中で700〜900℃の温度で仮焼した。このようにして得られた仮焼原料に、有機溶剤及び分散剤を加え、PSZボールで粉砕し、混合した。その後、別途有機溶剤、有機バインダ樹脂及び有機可塑剤を添加し、得られる有機バインダ溶液をバインダー樹脂の固形分がセラミックスに対して6重量%となるように添加し、シート成形用スラリーを得た。   The mixed slurry obtained as described above was dehydrated, dried, and then calcined in the atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C. An organic solvent and a dispersant were added to the calcined raw material thus obtained, and the mixture was pulverized with PSZ balls and mixed. Thereafter, an organic solvent, an organic binder resin, and an organic plasticizer are added separately, and the resulting organic binder solution is added so that the solid content of the binder resin is 6% by weight with respect to the ceramic, thereby obtaining a sheet forming slurry. .

上記シート成形スラリーを用い、ドクターブレード法により、厚さ60μmのグリーンシートを得、該グリーンシートを短冊状に切断した。   A green sheet having a thickness of 60 μm was obtained by the doctor blade method using the sheet forming slurry, and the green sheet was cut into strips.

次に、上記のようにして形成された短冊状のグリーンシート上に、AgとPdとが焼成後にAg:Pd=30:70(原子%)の割合となるように配合してなるAg−Pdペーストをスクリーン印刷し、内部電極パターンを形成した。このようにして、内部電極パターンを形成した後、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを内部電極パターンが交互に端面に引き出されるように積層し、さらに上下に内部電極パターンが印刷されていない上記セラミックグリーンシートを積層し、厚み方向に加圧し、マザーの積層体を得た。このマザーの積層体を焼成後の寸法が長さ(L)1.0mm×幅(W)0.5mm×厚み(T)0.5mmのサイズとなるように切断した。このようにして、積層体チップを得た。なお、積層体チップにおける内部電極総面積は、0.4mm2であり、内部電極間のセラミック層の厚みは焼成後約50μmであった。 Next, Ag-Pd is formed by mixing Ag and Pd on the strip-shaped green sheet formed as described above so that Ag: Pd = 30: 70 (atomic%) after firing. The paste was screen printed to form an internal electrode pattern. After forming the internal electrode pattern in this way, the ceramic green sheets on which the internal electrode pattern is formed are stacked so that the internal electrode patterns are alternately drawn to the end face, and the internal electrode pattern is not printed vertically. The ceramic green sheets were laminated and pressed in the thickness direction to obtain a mother laminate. The mother laminate was cut so that the dimensions after firing would be a size of length (L) 1.0 mm × width (W) 0.5 mm × thickness (T) 0.5 mm. In this way, a laminate chip was obtained. The total area of the internal electrodes in the multilayer chip was 0.4 mm 2 , and the thickness of the ceramic layer between the internal electrodes was about 50 μm after firing.

上記のようにして得られた積層体チップを大気中において、500℃及び12時間の条件で加熱し、脱バインダ工程を行った。次に、バリスタ電圧V1mAが約27Vとなるように、焼成温度を種々変更し、焼成を行った。焼成温度は1100℃〜1300℃の範囲の温度とした。また、焼成に際しての昇温工程は窒素雰囲気下とし、焼成最高温度保持過程及び降温過程は空気中の雰囲気とした。 The laminate chip obtained as described above was heated in the atmosphere at 500 ° C. for 12 hours to perform a binder removal step. Next, the firing temperature was variously changed so that the varistor voltage V 1 mA was about 27 V, and firing was performed. The firing temperature was a temperature in the range of 1100 ° C to 1300 ° C. Further, the temperature raising process during firing was performed in a nitrogen atmosphere, and the firing maximum temperature holding process and the temperature lowering process were performed in an air atmosphere.

このようにして得た焼結体をバレル研磨した後、両端面に外部電極を形成するためにAg−Pdペーストを塗布し、最高温度820℃で60分で焼き付けてAg−Pd外部電極を得た。しかる後、上記外部電極表面に、Niめっき膜及びSnめっき膜を、それぞれ、1.5μm及び3μmの厚みとなるように形成した。   After barrel-polishing the sintered body thus obtained, an Ag—Pd paste is applied to form external electrodes on both end faces, and baking is performed at a maximum temperature of 820 ° C. for 60 minutes to obtain an Ag—Pd external electrode. It was. Thereafter, a Ni plating film and a Sn plating film were formed on the surface of the external electrode so as to have thicknesses of 1.5 μm and 3 μm, respectively.

上記のようにして得られた積層バリスタの構造を、図1に模式的正面断面図で示す。また、図2は、この積層バリスタのセラミック素体の分解斜視図である。積層バリスタ1は、複数の内部電極3a,3bがセラミック層2を介して積層されたセラミック素体4を有する。また、セラミック素体4内においては、第1,第2の内部電極3a,3bは、セラミック層2を介して重なり合っている。この内、少なくとも1層の第1の内部電極3aがセラミック素体4の第1の端面に引き出されており、第1の端面に第1の外部電極5aが形成され、電気的に接続されている。また、少なくとも1つの第2の内部電極3bが第2の端面に引き出されており、第2の端面には第2の外部電極5bが形成され、電気的に接続されている。   The structure of the laminated varistor obtained as described above is shown in a schematic front sectional view in FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view of the ceramic body of the multilayer varistor. The multilayer varistor 1 has a ceramic body 4 in which a plurality of internal electrodes 3 a and 3 b are laminated via a ceramic layer 2. In the ceramic body 4, the first and second internal electrodes 3 a and 3 b overlap with each other with the ceramic layer 2 interposed therebetween. Among these, at least one first internal electrode 3a is drawn out to the first end face of the ceramic body 4, and a first external electrode 5a is formed on the first end face and is electrically connected. Yes. Further, at least one second internal electrode 3b is drawn out to the second end face, and a second external electrode 5b is formed on the second end face and is electrically connected.

図1では、図示しないが、外部電極5a,5bの表面には、上記のように、さらにNiめっき膜及びSnめっき膜を形成した。   Although not shown in FIG. 1, a Ni plating film and a Sn plating film are further formed on the surfaces of the external electrodes 5a and 5b as described above.

上記のようにして、下記の表1において、試料番号1〜45で示す積層バリスタを得た。なお、焼成後のセラミック素体の組成は、焼成後のセラミック素体を粉砕し、誘導結合プラズマ発光分光分析法、及び誘導結合プラズマ質量分析法にて分析を行った。   As described above, laminated varistors indicated by sample numbers 1 to 45 in Table 1 below were obtained. The composition of the fired ceramic body was analyzed by pulverizing the fired ceramic body and using inductively coupled plasma emission spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry.

上記のようにして得られた各積層バリスタをそれぞれ20個づつ用意し、信頼性を評価するための試験として、高温負荷試験と、ESD試験とを以下の要領で行った。   20 laminated varistors obtained as described above were prepared, and a high temperature load test and an ESD test were performed as follows as tests for evaluating reliability.

高温負荷試験:125℃の温度で、積層バリスタのバリスタ電圧の65%の電圧を1000時間印加し、しかる後、積層バリスタの絶縁抵抗及びバリスタ電圧を測定した。   High temperature load test: A voltage of 65% of the varistor voltage of the laminated varistor was applied for 1000 hours at a temperature of 125 ° C., and then the insulation resistance and varistor voltage of the laminated varistor were measured.

ESD試験:IEC61000−4−2準拠のESDパルスを積層バリスタの両端から10回ずつ印加し、しかる後、積層バリスタの絶縁抵抗及びバリスタ電圧を測定した。   ESD test: An ESD pulse conforming to IEC61000-4-2 was applied 10 times from both ends of the multilayer varistor, and then the insulation resistance and varistor voltage of the multilayer varistor were measured.

上記いずれの試験においても、絶縁抵抗が試験後に1MΩ未満となった場合、あるいはバリスタ電圧の変化率(△V1mA/V1mA)が10%以上であったものについて、不良品と判断した。 In any of the above tests, when the insulation resistance was less than 1 MΩ after the test, or the change rate of the varistor voltage (ΔV 1 mA / V 1 mA) was 10% or more, it was judged as a defective product. .

高温負荷試験には、不良品の割合を不良率とした。ESD試験においては、上記判定基準を満足できる最大ESD量を測定した。   In the high temperature load test, the ratio of defective products was defined as the defective rate. In the ESD test, the maximum ESD amount that can satisfy the above criteria was measured.

また、上記のようにして得られた積層バリスタについて、内部電極に含まれているAgがセラミック層に拡散しているか否かを、セラミック素体の端面を研磨し、Arエッチング装置を用いて研磨による影響をなくした上で、波長分散型X線分光器(WDX)により内部電極間のセラミック層を分析した。この分析により、Agの拡散の有無を調査した。結果を下記の表1に示す。   Further, with respect to the laminated varistor obtained as described above, the end face of the ceramic body is polished by using an Ar etching apparatus to determine whether or not Ag contained in the internal electrode is diffused in the ceramic layer. Then, the ceramic layer between the internal electrodes was analyzed by a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDX). By this analysis, the presence or absence of Ag diffusion was investigated. The results are shown in Table 1 below.

なお、下記の表1において、×印を付した試料は、本発明の範囲外の試料であることを示す。また、☆印で示した試料は、試料番号3と同じ試料であることを示している。   In Table 1 below, the samples marked with x indicate that the samples are outside the scope of the present invention. Further, the sample indicated by ☆ indicates that it is the same sample as the sample number 3.

Figure 0004915153
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表1から明らかなように、本願発明の範囲である試料2〜4、7〜10、12〜17、20〜23、25〜28、30〜34、38〜44はいずれも高温負荷試験において不良品の発生がなく、15kV以上のESD耐性が得られることがわかった。一方、ZnOに対する固溶限界が大きいCoの添加量が、1.0原子%よりも少ない、試料番号1では、ZnO粒子内に固溶しているCo量が少ないため、Agの拡散が起こり、ESD試験及び高温負荷試験で不良が発生していた。   As is apparent from Table 1, all of Samples 2 to 4, 7 to 10, 12 to 17, 20 to 23, 25 to 28, 30 to 34, and 38 to 44, which are within the scope of the present invention, are not acceptable in the high temperature load test. It was found that good products were not generated and ESD resistance of 15 kV or higher was obtained. On the other hand, the addition amount of Co having a large solid solubility limit with respect to ZnO is less than 1.0 atomic%. In Sample No. 1, since the amount of Co dissolved in ZnO particles is small, Ag diffusion occurs, Defects occurred in the ESD test and the high temperature load test.

また、試料番号5,6から明らかなように、Coが5原子%より多いと、Coが固溶しきれずその一部がZnO粒界に偏析し、高温負荷試験やESD試験において不良品が発生していることがわかる。   As is clear from Sample Nos. 5 and 6, when Co is more than 5 atomic%, Co cannot be completely dissolved, and part of it segregates at the ZnO grain boundary, resulting in defective products in the high temperature load test and ESD test. You can see that

さらに、試料番号11の結果から明らかなように、Alが0.002原子%より少ないと、高温負荷試験及びESD試験の双方において不良が発生した。Alが0.2原子%よりも多い場合には、試料番号18から明らかなように、ドナーが過剰であるため、ESD試験及び高温負荷試験において不良が生じた。   Further, as apparent from the results of Sample No. 11, when Al was less than 0.002 atomic%, defects occurred in both the high temperature load test and the ESD test. When Al was more than 0.2 atomic%, as apparent from Sample No. 18, the donor was excessive, so that defects occurred in the ESD test and the high temperature load test.

また、Prの添加量が0.1原子%よりも少ないと、試料番号19から明らかなように、十分高い粒界障壁が形成できていないため高温負荷試験やESD試験に不良が発生し、5原子%よりも多いと、試料番号24から明らかなように、Prが過剰にZnO粒界に偏析し、Agの拡散が助長された。そのため、高温負荷試験及びESD試験において顕著な不良品が生じた。   On the other hand, when the addition amount of Pr is less than 0.1 atomic%, as is clear from Sample No. 19, a sufficiently high grain boundary barrier cannot be formed, resulting in a failure in the high temperature load test or ESD test. When the amount was more than atomic%, as is clear from Sample No. 24, Pr was excessively segregated at the ZnO grain boundary, which promoted the diffusion of Ag. Therefore, remarkable defective products were generated in the high temperature load test and the ESD test.

また、ZnO粒界に液相を形成して焼結性を高めるアルカリ土類金属としてのCaの添加量が、0.005原子%よりも少ない場合には、試料番号29の結果から明らかなように、焼結性が低下し、高温負荷試験及びESD試験において多くの不良品が発生した。0.5原子%よりも多い場合には、液相が過剰に形成されて、Agの拡散が助長され、高温負荷試験及びESD試験において不良品が生じた。Ag拡散抑制効果が高いCoが多く添加されたとしても、試料番号35から明らかなように、Caが過剰に添加されていると、粒界拡散により、Agが拡散し、高温負荷試験やESD試験において不良品が生じた。   Further, when the addition amount of Ca as an alkaline earth metal that forms a liquid phase at the ZnO grain boundary to enhance the sinterability is less than 0.005 atomic%, it is apparent from the result of the sample number 29. In addition, the sinterability decreased, and many defective products were generated in the high temperature load test and the ESD test. When the amount was more than 0.5 atomic%, the liquid phase was excessively formed to promote the diffusion of Ag, resulting in defective products in the high temperature load test and the ESD test. Even if a large amount of Co, which has a high Ag diffusion suppressing effect, is added, as is apparent from Sample No. 35, if Ca is added excessively, Ag diffuses due to grain boundary diffusion, resulting in a high temperature load test or ESD test. A defective product was produced.

また、Zr含有量が0.01〜0.2原子%の範囲では、高温負荷試験において不良品は発生せず、ESD耐性は15kV以上であった。Zr含有割合が0.01〜0.08原子%とした試料2〜4、7〜10、12〜17、20〜23、25〜28、30〜34、38〜41では、ESD耐性は30kV以上となり、より好ましいことがわかった。Zrが0.2原子%より多くなると、試料45から明らかなように、WDXで検出可能なレベルまでAgが拡散し、信頼性が低下する。   Further, when the Zr content was in the range of 0.01 to 0.2 atomic%, no defective product was generated in the high temperature load test, and the ESD resistance was 15 kV or more. In samples 2 to 4, 7 to 10, 12 to 17, 20 to 23, 25 to 28, 30 to 34, and 38 to 41 having a Zr content of 0.01 to 0.08 atomic%, the ESD resistance is 30 kV or more. It turned out that it was more preferable. When Zr is more than 0.2 atomic%, as is clear from the sample 45, Ag diffuses to a level that can be detected by WDX, and the reliability decreases.

また、Zr含有量は、0.01原子%より少ないと、異常粒成長しやすくなり、粒径のばらつきが大きくなり、信頼性試験において不良品が顕著に現れる。なお、Zrの含有割合が0.08原子%よりも多くなると、偏析が生じる可能性があるため、ESDが局所に集中し、ESD耐性が若干低下したと思われる。   On the other hand, if the Zr content is less than 0.01 atomic%, abnormal grain growth is likely to occur, and the variation in the grain size becomes large, and defective products appear significantly in the reliability test. When the Zr content is more than 0.08 atomic%, segregation may occur, so that ESD is concentrated locally and ESD resistance seems to be slightly reduced.

(実験例2)
次に、Alの代わりにGa、InもしくはAl、Ga及びInを組み合わせ添加した場合の効果について同様にして評価した。結果を下記の表2〜表4に示す。
(Experimental example 2)
Next, the effect of adding Ga, In or a combination of Al, Ga and In instead of Al was similarly evaluated. The results are shown in Tables 2 to 4 below.

Figure 0004915153
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Figure 0004915153
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表2〜表4から明らかなように、Alに代えて、Ga及びInを用いた場合においても、Alを用いた場合と同様の効果が得られることがわかる。また、Al、Ga、及びInを適宜組み合わせた場合においても、本願発明の範囲である試料47〜52、55〜60、63〜68の場合、高温負荷試験において不良率が0であり、15kV以上のESD耐性が得られることがわかる。すなわち、本発明の範囲内において、Al、Ga及びInを添加することにより、Ag−Pd内部電極を用いた場合であっても、Agの拡散を抑制し、それによって、高温負荷寿命及びESD耐性を効果的に高め得ることがわかる。   As is apparent from Tables 2 to 4, it can be seen that the same effect as in the case of using Al can be obtained when Ga and In are used instead of Al. Further, even when Al, Ga, and In are appropriately combined, in the case of Samples 47 to 52, 55 to 60, and 63 to 68 that are within the scope of the present invention, the defect rate is 0 in the high-temperature load test, and 15 kV or more It can be seen that the ESD resistance can be obtained. That is, within the scope of the present invention, by adding Al, Ga and In, even when an Ag—Pd internal electrode is used, the diffusion of Ag is suppressed, whereby the high temperature load life and ESD resistance are reduced. It can be seen that can be effectively increased.

次に、Caの代わりに、Sr、Baを用い、あるいはCa、Sr及びBaを組み合わせて添加した場合の効果について、実験例1と同様にして評価した。結果を下記の表5〜表7に示す。   Next, the effect of using Sr, Ba instead of Ca, or adding Ca, Sr, and Ba in combination was evaluated in the same manner as in Experimental Example 1. The results are shown in Tables 5 to 7 below.

Figure 0004915153
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Figure 0004915153
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Figure 0004915153
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表5〜表7から明らかなように、Caに代えて、SrやBaを用いた場合においても、同様の効果が得られることがわかる。本願発明の範囲である試料71〜75、79〜83、87〜91の場合、高温負荷試験において不良率が0であり、15kV以上のESD耐性が得られることがわかる。さらに、Agの粒内拡散抑制効果に優れているCoの添加量を5原子%と多くした試料77、85、93においても、アルカリ土類金属が本発明の範囲より多く添加されると、Agの拡散を抑制することはできないことがわかる。   As is apparent from Tables 5 to 7, it can be seen that the same effect can be obtained when Sr or Ba is used instead of Ca. In the case of the samples 71 to 75, 79 to 83, and 87 to 91 that are within the scope of the present invention, it can be seen that the defect rate is 0 in the high temperature load test, and ESD resistance of 15 kV or more is obtained. Further, in the samples 77, 85, and 93 in which the amount of Co, which is excellent in the intragranular diffusion suppressing effect of Ag, is increased to 5 atomic%, when the alkaline earth metal is added in a larger amount than the range of the present invention, Ag is added. It can be seen that it is not possible to suppress the diffusion of.

(実験例3)
次に、Zr含有量を変化させ、他は実験例1と同様にして積層バリスタを作製し、評価した。組成比及び評価結果を下記の表8に示す。
(Experimental example 3)
Next, a laminated varistor was produced and evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 except that the Zr content was changed. The composition ratio and the evaluation results are shown in Table 8 below.

Figure 0004915153
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表8から明らかなように、Zr含有量が0.01原子%以上0.2原子%以下である試料94〜117について、高温負荷試験において不良率が0であり、15kV以上のESD耐性が得られることがわかる。特に、Zr含有量が0.01原子%以上0.08原子%以下である試料94、95、97、98、100、101、103、104、106、107、109、110、112、113、115、116においては、高温負荷試験において不良は生じず、30kV以上の優れたESD耐性が実現されることがわかる。   As apparent from Table 8, the samples 94 to 117 having a Zr content of 0.01 atomic% or more and 0.2 atomic% or less have a defect rate of 0 in the high-temperature load test and an ESD resistance of 15 kV or more. I understand that Particularly, samples 94, 95, 97, 98, 100, 101, 103, 104, 106, 107, 109, 110, 112, 113, 115 having a Zr content of 0.01 atomic% or more and 0.08 atomic% or less. , 116 shows that no defect occurs in the high-temperature load test, and excellent ESD resistance of 30 kV or more is realized.

従って、Agの拡散を抑制し、高温負荷寿命を改善するには、Agの粒内拡散及び粒界拡散の双方を抑制する必要があり、Co、Pr、アルカリ土類金属、Al、Ga、もしくはIn、及びZrを本発明の範囲内で配合することにより、Ag−Pd内部電極を用いた場合においても、絶縁抵抗及び高温負荷寿命を改善し得ることがわかる。さらに、Zrの含有割合を0.01〜0.08原子%とすることにより、ESD耐性をより一層高め得ることがわかる。   Therefore, in order to suppress the diffusion of Ag and improve the high temperature load life, it is necessary to suppress both the intragranular diffusion and the grain boundary diffusion of Ag, and Co, Pr, alkaline earth metal, Al, Ga, or It can be seen that by blending In and Zr within the scope of the present invention, the insulation resistance and high temperature load life can be improved even when an Ag—Pd internal electrode is used. Furthermore, it turns out that ESD tolerance can be improved further by making the content rate of Zr 0.01-0.08 atomic%.

すなわち、酸化亜鉛への固溶限界の大きいCoの添加量と、ZnO粒界に偏析したり液相を形成する元素のうち特にアルカリ土類金属、Zrの含有量を調整することにより、Agの粒内拡散及び粒界拡散の両方を抑制して、セラミック層へのAgの拡散による信頼性の低下を抑制し、優れたバリスタ特性を得ることが可能となる。   That is, by adjusting the addition amount of Co, which has a large solid solubility limit in zinc oxide, and the content of Ag, particularly alkaline earth metals and Zr among elements that segregate at ZnO grain boundaries or form a liquid phase, By suppressing both the intragranular diffusion and the grain boundary diffusion, it is possible to suppress a decrease in reliability due to the diffusion of Ag into the ceramic layer, and to obtain excellent varistor characteristics.

(実験例4)
実験例1と同様の方法で積層バリスタを作製した。なお、セラミック層の組成は表1の試料3と同じになるように調整し、内部電極については、焼成後Ag:Pdが5〜70:95〜30(原子%)となる内部電極用ペーストを用いた。そして、得られた積層バリスタの評価試験を実施例1と同様に行うとともに、Agの拡散の有無についても同様にして評価した。
(Experimental example 4)
A laminated varistor was produced in the same manner as in Experimental Example 1. The composition of the ceramic layer was adjusted so as to be the same as that of Sample 3 in Table 1, and for the internal electrode, an internal electrode paste having a Ag: Pd of 5 to 70:95 to 30 (atomic%) after firing was used. Using. Then, the obtained laminated varistor was evaluated in the same manner as in Example 1, and the presence or absence of Ag diffusion was also evaluated in the same manner.

焼成後の内部電極のAg:Pd比率は、焼成後のセラミック素体のL―T面を内部電極が全て露出するまで研磨した後に、最も主面側にある最外内部電極間であり、かつ、対向する内部電極が重なりあう部分(内部電極有効部分)を分析範囲としてWDX分析を行い、AgとPdの比率を分析した。   The Ag: Pd ratio of the fired internal electrode is between the outermost internal electrodes on the most principal surface side after polishing the LT surface of the fired ceramic body until all the internal electrodes are exposed, and The WDX analysis was performed using the portion where the opposing internal electrodes overlap (internal electrode effective portion) as the analysis range, and the ratio of Ag and Pd was analyzed.

さらに、上記積層バリスタの特性として、表1の試料3の組成を有する積層バリスタを各々20個づつ用意し、絶縁抵抗、電圧非直線性、バリスタ電圧V1mAのばらつきを評価した。バリスタ電圧は、1mAの直流電流を流した時の各試験片の両端電圧を測定したものである。また、電圧非直線係数αは、0.1mAの直流電流を流した時の各試験片の両端電圧とバリスタ電圧V1mAとから式(1)に基づき算出したものである。 Furthermore, as the characteristics of the multilayer varistor, 20 multilayer varistors each having the composition of Sample 3 shown in Table 1 were prepared, and the variations in insulation resistance, voltage nonlinearity, and varistor voltage V 1 mA were evaluated. The varistor voltage is obtained by measuring the voltage across each test piece when a direct current of 1 mA is passed. Further, the voltage nonlinear coefficient α is calculated based on the formula (1) from the both-end voltage of each test piece and a varistor voltage V 1 mA when a direct current of 0.1 mA is passed.

Figure 0004915153
Figure 0004915153

また、絶縁抵抗は、バリスタ電圧の65%の電圧を0.1秒間印加した後の抵抗を絶縁抵抗とした。また、バリスタ電圧の3C.V.を算出して、バリスタ電圧V1mAのばらつきとした。 The insulation resistance was defined as the resistance after applying 65% of the varistor voltage for 0.1 seconds. The varistor voltage 3C. V. Was calculated as the variation of the varistor voltage V 1 mA.

絶縁抵抗は10MΩ以上の場合に良品とし、電圧比直線性25以上の場合に、バリスタ電圧V1mAのばらつきは10%以下の場合に良品とした。 The insulation resistance was determined to be good when it was 10 MΩ or more, and when the voltage ratio linearity was 25 or more, it was determined to be good when the varistor voltage V 1 mA variation was 10% or less.

Figure 0004915153
Figure 0004915153

表9において、試料118及び119から、Agの含有量が10%未満の場合、ESD耐性及び高温負荷試験における信頼性は良好であるものの、例え酸素濃度の雰囲気を調整したとしても、絶縁抵抗とV1mAばらつきとの両立は困難であった。一方、Agが10〜60原子%の割合で含まれている試料120〜123の場合、Ag−Pd内部電極では、特別な雰囲気制御を行うことなく、高い絶縁抵抗(IR)及び電圧比直線性(α)を実現でき、V1mAばらつき(3CV)にも効果的であることがわかった。なお、Agの含有割合が60原子%よりも多くなると、内部電極のAg比率が高くなることにより完全にAgの拡散を抑制することができなくなり、粒界数の少ない低電圧バリスタにおいては拡散したAgの影響により信頼性が幾分低下し、バリスタ特性が良好に得られないことがある。 In Table 9, from the samples 118 and 119, when the Ag content is less than 10%, the ESD resistance and the reliability in the high temperature load test are good, but even if the oxygen concentration atmosphere is adjusted, the insulation resistance and It was difficult to achieve both V 1 mA variation. On the other hand, in the case of samples 120 to 123 in which Ag is contained at a ratio of 10 to 60 atomic%, the Ag-Pd internal electrode has high insulation resistance (IR) and voltage ratio linearity without performing special atmosphere control. It was found that (α) can be realized and is effective for V 1 mA variation (3 CV). When the content ratio of Ag is more than 60 atomic%, the Ag ratio of the internal electrode is increased, so that it becomes impossible to completely suppress the diffusion of Ag, and the low voltage varistor with a small number of grain boundaries diffuses. The reliability is somewhat lowered due to the influence of Ag, and varistor characteristics may not be obtained satisfactorily.

従って、表9の結果から、Ag及びPdの総量を100原子%の内、Agの割合を10〜60原子%の範囲とすることが好ましいことがわかる。   Therefore, it can be seen from the results of Table 9 that it is preferable that the total amount of Ag and Pd is in the range of 100 atomic% and the ratio of Ag is in the range of 10 to 60 atomic%.

(実験例5)
下記の表10に示す内部電極組成物となるように、実験例1と同様にして積層バリスタを作製した。もっとも、本実施例では、グリーンシートの成形厚みを約30μmとし内部電極表面積は1mm2とした。また、バリスタ電圧が9Vとなるように焼成温度を1100〜1300℃の範囲で調整した。なお、積層体チップにおける内部電極総面積は、0.4mm2であり、内部電極間のセラミック層の厚みは焼成後約20μmであった。
(Experimental example 5)
A laminated varistor was produced in the same manner as in Experimental Example 1 so as to obtain the internal electrode composition shown in Table 10 below. However, in this example, the green sheet was formed with a molding thickness of about 30 μm and the internal electrode surface area was 1 mm 2 . The firing temperature was adjusted in the range of 1100 to 1300 ° C. so that the varistor voltage was 9V. The total area of the internal electrodes in the multilayer chip was 0.4 mm 2 , and the thickness of the ceramic layer between the internal electrodes was about 20 μm after firing.

上記のようにして得られた積層バリスタについて、6.5Vの電圧を0.1秒印加したときの絶縁抵抗(IR)と、実施例1の場合と同様の方法で高温負荷試験、ESD耐性試験及びWDX分析によりAgの拡散の有無を評価した。また、内部電極中のAg比率については実施例4と同様にWDX分析により測定した。また、絶縁抵抗IRが10MΩ以上の場合良品とした。さらに、実験例1の場合と同様にして高温負荷試験を行った。結果を下記の表10に示す。   With respect to the laminated varistor obtained as described above, the insulation resistance (IR) when a voltage of 6.5 V was applied for 0.1 second and the high temperature load test and ESD resistance test were performed in the same manner as in Example 1. And the presence or absence of diffusion of Ag was evaluated by WDX analysis. Further, the Ag ratio in the internal electrode was measured by WDX analysis in the same manner as in Example 4. In addition, when the insulation resistance IR was 10 MΩ or more, it was determined as a good product. Further, a high temperature load test was conducted in the same manner as in Experimental Example 1. The results are shown in Table 10 below.

Figure 0004915153
Figure 0004915153

試料番号124,125から明らかなように、Agがセラミック層に拡散した場合、アクセプターとして働くため、Co添加量が少ない場合、絶縁抵抗が上昇した。しかしながら、同じセラミック層の組成であっても、内部電極中のAg含有比率が高くなるほど、絶縁抵抗が低下する傾向があった。   As apparent from Sample Nos. 124 and 125, when Ag diffuses into the ceramic layer, it acts as an acceptor, so that the insulation resistance increases when the amount of Co added is small. However, even with the same ceramic layer composition, the insulation resistance tends to decrease as the Ag content ratio in the internal electrode increases.

すなわち、試料番号130,151,152,171,172に示されているように、バリスタ電圧を27Vとした実施例1の積層バリスタにおいては問題とならなかった範囲であっても、例えば、セラミック層が薄く粒界数の少ない9V程度の低バリスタ電圧を生じる積層バリスタにおいては、Ag比率が高くなるに伴い、絶縁抵抗が低下することがわかった。   That is, as shown in sample numbers 130, 151, 152, 171, and 172, even in a range where there was no problem in the laminated varistor of Example 1 in which the varistor voltage was 27 V, for example, a ceramic layer In a laminated varistor that generates a low varistor voltage of about 9 V with a small number of grain boundaries, the insulation resistance decreases as the Ag ratio increases.

従って、Agの含有比率が高いAg−Pd内部電極の場合に、Co添加量x(原子%)と、内部電極中のAg比率y(原子%)との関係を0.05≦x/y≦0.5とすることが望ましいことがわかる。   Therefore, in the case of an Ag—Pd internal electrode with a high Ag content ratio, the relationship between the Co addition amount x (atomic%) and the Ag ratio y (atomic%) in the internal electrode is expressed as 0.05 ≦ x / y ≦ It can be seen that 0.5 is desirable.

なお、Coの添加量xが多く、x/yが0.5を超えると、Agの拡散もなく、絶縁抵抗も良好であるが、必然的にCoが5.0原子%よりも多くなるため、高温負荷試験において25%程度の不良が発生する。従って、x/yは0.5以下であることが望ましいことがわかる。   When the amount of Co added x is large and x / y exceeds 0.5, there is no diffusion of Ag and the insulation resistance is good, but Co is inevitably more than 5.0 atomic%. In the high temperature load test, a defect of about 25% occurs. Therefore, it can be seen that x / y is preferably 0.5 or less.

また、x/yが0.05未満の場合には、低電圧の積層バリスタにおいて、セラミック層に含まれるCoの含有量と、内部電極に含まれるAgの含有量のバランスが悪いため、内部電極のAgがセラミック素体外へ飛散してセラミックスの酸素を顕著に奪うため、粒界障壁が低下し、絶縁抵抗の低下が顕著に表れる。   In addition, when x / y is less than 0.05, in the low voltage multilayer varistor, the balance between the content of Co contained in the ceramic layer and the content of Ag contained in the internal electrode is poor. Of Ag diffuses out of the ceramic body and remarkably deprives the ceramics of oxygen, so that the grain boundary barrier is lowered and the insulation resistance is significantly reduced.

以上のように、低バリスタ電圧が求められるような用途の際には、上記のx/yの関係が具体的には20V以下のバリスタ電圧が要求される用途においては、セラミック層に含まれるCoの含有量(原子%)をx、前記内部電極に含まれるAgの含有量(原子%)をyとしたとき0.05≦x/y≦0.5とすることが好ましい。また、これは、セラミック層の一層厚みが30μm以下の場合において有用であることを示す。バリスタ電圧が20Vより大きい場合は、粒界数が多いため、内部電極のAgがセラミック素体外へ飛散してセラミックスの酸素を奪う影響が少なく、この関係を満たさなくても十分に絶縁抵抗の低下を抑制することができ、かつ、ESD試験時及び高温負荷試験時の信頼性を確保することができる。   As described above, in applications where a low varistor voltage is required, the above x / y relationship is specifically limited to Co contained in the ceramic layer in applications where a varistor voltage of 20 V or less is required. It is preferable to satisfy 0.05 ≦ x / y ≦ 0.5, where x is the content (atomic%) of x and y is the content (atomic%) of Ag contained in the internal electrode. This also shows that it is useful when the thickness of the ceramic layer is 30 μm or less. When the varistor voltage is higher than 20V, the number of grain boundaries is large, so that the Ag of the internal electrode is scattered outside the ceramic body and deprives the ceramic of oxygen, and the insulation resistance is sufficiently lowered even if this relationship is not satisfied. And reliability during ESD test and high temperature load test can be ensured.

また、実施例1〜実施例5においては、図1及び図2に示される構造を有する積層バリスタを用いて実験を行ったが、Ag−Pd内部電極を有する構造であれば、図1及び図2のような構造に限定されるものではない。   In Examples 1 to 5, the experiment was performed using the laminated varistor having the structure shown in FIGS. 1 and 2. However, if the structure has an Ag—Pd internal electrode, FIGS. It is not limited to the structure of 2.

本発明の一実施例で製造された積層バリスタの略図的正面断面図。1 is a schematic front cross-sectional view of a laminated varistor manufactured in an embodiment of the present invention. 図1に示す積層バリスタのセラミック素体を分解して示す模式的斜視図。The typical perspective view which decomposes | disassembles and shows the ceramic body of the laminated varistor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…積層バリスタ
2…セラミック層
3a,3b…内部電極
4…セラミック素体
5a,5b…外部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated varistor 2 ... Ceramic layer 3a, 3b ... Internal electrode 4 ... Ceramic body 5a, 5b ... External electrode

Claims (3)

半導体セラミック材料からなる複数のセラミック層と、前記セラミック層間の所定の界面に沿って形成された複数の内部電極とを積層してなるセラミック素体と、
前記内部電極と電気的に接続されるように形成された外部電極とを備える積層バリスタであって、
前記セラミック層はZnOを主成分とし、
副成分として、Prを全体の0.1〜5.0原子%、Coを1.0〜5.0原子%、Al、Ga、及びInのうち少なくとも1種を総量で0.002〜0.2原子%、Ca、Sr及びBaのうち少なくとも1種を総量で0.005〜0.5原子%、Zrを0.01〜0.2原子%含み、
かつ、前記内部電極がAg及びPdを含み前記内部電極におけるAgの含有量が10原子%以上60原子%以下であることを特徴とする、積層バリスタ。
A ceramic body formed by laminating a plurality of ceramic layers made of a semiconductor ceramic material and a plurality of internal electrodes formed along a predetermined interface between the ceramic layers;
A laminated varistor comprising an external electrode formed to be electrically connected to the internal electrode,
The ceramic layer is mainly composed of ZnO,
As subcomponents, Pr is 0.1 to 5.0 atomic% of the whole, Co is 1.0 to 5.0 atomic%, and at least one of Al, Ga, and In is 0.002 to 0.00 in total. 2 atomic%, at least one of Ca, Sr and Ba in a total amount of 0.005 to 0.5 atomic%, Zr 0.01 to 0.2 atomic%,
And, wherein the internal electrode is not more than 60 atomic% content of 10 atomic% or more Ag in unrealized the internal electrode Ag and Pd, laminated varistor.
前記セラミック層に含まれるZrの総量がセラミック層の全体の0.01〜0.08原子%であることを特徴とする、請求項1に記載の積層バリスタ。   2. The multilayer varistor according to claim 1, wherein the total amount of Zr contained in the ceramic layer is 0.01 to 0.08 atomic% of the entire ceramic layer. 前記セラミック層中におけるCoの含有量(原子%)をx、前記内部電極に含まれるAgの含有量(原子%)をyとしたとき、0.05≦x/y≦0.5であることを特徴とする、請求項1または2に記載の積層バリスタ。 When the Co content (atomic%) in the ceramic layer is x and the Ag content (atomic%) in the internal electrode is y, 0.05 ≦ x / y ≦ 0.5. The multilayer varistor according to claim 1 or 2 , characterized by
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