JP5167967B2 - 静電気対策部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電気対策部品、特に信号側配線に侵入する静電気を吸収するための静電気対策部品に関する。

近年、電子機器の小型化、高性能化の要望に応えるため、ＩＣのさらなる微細化、高集積化が進んでいるが、一方で耐電圧が低下している。人体と電子機器の端子などが接触したときに発生する静電気放電サージのようにエネルギーの小さいサージでも、ＩＣの破壊や誤動作が発生するようになった。

対策として、静電気が侵入してくる配線とグランド間に静電気対策部品を設け、静電気をバイパスさせＩＣに印加される高電圧を抑える方法が行われている。静電気対策部品は、通常の状態では高抵抗値で電気を流さず、静電気などの高圧信号の侵入により抵抗値が低くなり電気を流す特性を示す部品である。このような特性を有する静電気対策部品としては、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ、ギャップ放電素子などが知られている。

従来の静電気対策部品としてのギャップ放電素子は、素体に空洞部を設け、この空洞部を介して対向するように配置された一対の放電用電極と、各々の放電用電極に接続する端子電極とが形成されている。通常はオープン状態（絶縁状態）であるが、静電気などの高電圧電流が侵入すると、空洞部内で放電し電流が流れる。

このような、ギャップ放電素子は、通常数十μｍのギャップ間隔で隣接する一対の放電用電極を備え、侵入してきた静電気をギャップ間で放電させる方式であり、特許文献１、２に開示されている。
特開平１−１０２８８４号公報 特開平１１−２６５８０８号公報

ギャップ放電素子は、ツェナーダイオード、積層チップバリスタと比較して寄生静電容量値が根本的に小さい。寄生静電容量値が高くなると、高速信号を取り扱う回路では信号品質を劣化させるため、静電気対策部品の寄生静電容量値は低い方が望ましく、ギャップ放電素子は有利である。また、空洞部は気体であるため高電圧の静電気が印加されても放電部は破壊されないという点で有利である。

しかし、低電圧の静電気印加に対しては空洞部内で放電が生じにくく、静電気耐圧の低い最新のＩＣなどのデバイスに対する静電気対策効果が現れない場合があるという課題を有していた。空洞内で対向する放電電極間における放電されやすさは、放電電極の材料種に因る割合が大きい。すなわち、放電電極材料の仕事関数（材料の表面から１個の電子を無限遠まで取り出すのに必要な最小エネルギ）が低い方が放電されやすい。仕事関数の低い材料として、亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムなどが知られているが、活性度が高い金属が多く、それらを放電電極材料として用いることは現実的に難しい。またそれらの酸化物も仕事関数は低いが、ほとんどが絶縁体で電気抵抗値が高いため放電用電極として用いることはできない。

また、従来よりもさらに高電圧の静電気対策が求められ、さらにその印加頻度を増すことが求められる中、従来の電圧よりもさらに高い電圧の静電気が複数回連続して印加されるとショートしてしまう課題を有していた。静電気対策部品がショート状態となるのは、高電圧の静電気が連続して繰り返し印加されることにより放電用電極が溶け出し、対向する放電用電極に接触したり、放電用電極が溶け出さない場合であっても素体から剥がれて対向する放電用電極に接触したりするためである。静電気は放電時において、瞬間的に２５００℃以上の高温に達することもあり、これにより放電用電極が溶け出したことが原因と考えられる。

本発明は上記問題点を解決するもので、低電圧の静電気印加に対しても動作し、静電気抑制効果が高く、高電圧の静電気を繰り返し印加してもショートの恐れがない高性能かつ高信頼性の静電気対策部品を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、特に、絶縁体からなる第１グリーンシート上に第１金属層を形成する工程と、前記第１金属層上に少なくとも亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物を含有する樹脂ペーストを形成する工程と、前記樹脂ペースト上に第２金属層を形成する工程と、前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層を被覆するように、前記第１グリーンシート上に絶縁体からなる第２グリーンシートを積層する工程と、前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層および前記第１、第２グリーンシートを一体焼成し、前記樹脂ペーストの樹脂成分を揮発させて空洞部を埋設した素体を形成する工程を備える静電気対策部品の製造方法とした。
また、絶縁体からなる第１のグリーンシート上に一定の間隔をあけて対向させた第１金属層および第２金属層を形成する工程と、前記第１金属層および第２金属層上に少なくとも亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物を含有する樹脂ペーストを形成する工程と、前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層を被覆するように、前記第１グリーンシート上に絶縁体からなる第２グリーンシートを積層する工程と、前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層および前記第１、第２グリーンシートを一体焼成し、前記樹脂ペーストの樹脂成分を揮発させて空洞部を埋設した素体を形成する工程を備えることを特徴とした静電気対策部品の製造方法とした。

本発明によれば、放電電極の表面に亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物を付着させている。これらの金属酸化物などは仕事関数が低いにもかかわらず絶縁性が高いので、低電圧の静電気印加に対しても動作し、静電気抑制効果が高く、また高電圧の静電気を繰り返し印加してもショート不良の恐れがない、高性能かつ高信頼性の静電気対策部品を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態における静電気対策部品について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における静電気対策部品の断面図である。本発明の実施の形態１における静電気対策部品は、素体１と、この素体１の内部に埋設した空洞部２と、この空洞部２の内部において一定の間隔をもって互いに対向配置した一対の放電用電極３、４と、この放電用電極３、４と接続した端子電極５、６とを備えている。

素体１は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうち選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を主成分として含有する絶縁体が望ましい。これらの絶縁体は、比誘電率が１５以下と低く、寄生容量値を低減できるからである。

一対の放電用電極３、４と端子電極５、６は、タングステンを主成分とする金属で形成している。本発明はこれに限定されるものではないが、放電用電極３、４が静電気放電時の高温に耐えるためには、タングステンのように融点の高い金属が望ましい。また放電用電極３、４と端子電極５、６は、静電気進入時の衝撃に耐えられる固着力を確保するために、同じ種類の金属、またはお互い合金を形成する金属で形成するのが望ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。

放電用電極３、４の表面には酸化物７が付着している。酸化物７の成分は亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物である。これらの酸化物７は仕事関数が低いため（ほとんどが４．５ｅＶ以下）、静電気の進入による放電用電極３、４間の放電を促進する効果がある。酸化物７が付着していない場合には放電しないような低電圧の静電気の進入に対しても、酸化物７から電子が放出されるようになるため、放電用電極３、４間で放電するようになる。また放電時の放出される電子量も増え放電用電極３、４間の静電気放電電流も大きくなる。すなわち静電気対策部品の性能が向上するのであるが、この現象をよりわかりやすくするため、静電気対策部品の評価方法について説明する。

図２は静電気試験方法の説明図で、静電気放電ガン１２から静電気シミュレーション波形（ＩＥＣ−６１００−４−２規格に準ずる）を一方の端子電極をグランドに接続した静電気対策部品１１に入力し、デジタルオシロスコープ１３で静電気波形を観測する。この観測される静電気波形は、静電気対策部品１１内を放電しなかった静電気波形であり、この電圧が低いほど優れた静電気対策部品であると言える。図３は入力静電気電圧に対する静電気抑制ピーク電圧の関係を示す特性グラフで、初期に高電圧のピークが観測され、その後すぐに減衰する。この高電圧ピークにより機器の故障、誤作動を引き起こすと考えられる。この電圧を抑制ピーク電圧と呼び、入力した静電気電圧に対して測定する。

酸化物７を付着させていない場合で入力する静電気電圧が５ｋＶ以下と低いと、観測される静電気波形は、入力した静電気シミュレーション波形と同じものとなる。すなわち静電気対策部品１１内で放電が起きておらず、静電気対策部品として動作していない。６ｋＶ以上の入力で図３のような波形が観測されるようになるが、抑制ピーク電圧は高く８ｋＶの入力に対する抑制ピーク電圧は８００〜１０００Ｖである。

一方、例えば酸化物７としてマイエナイト粉（１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、粒径約０．５μｍ）を放電用電極３、４上に付着させた場合、２ｋＶから静電気対策部品として動作するようになり、８ｋＶにおける抑制ピーク電圧は２５０〜３５０Ｖと大きく低下する。マイエナイト粉はその組成式からＣ１２Ａ７とも呼ばれ、内径０．４ｎｍのナノケージをもつ特異なナノ結晶構造物質であることから、仕事関数は３ｅＶ未満と酸化物としては特異的に低いため、上記のような非常に優れた特性を得ることができ、放電用電極３、４に付着させる酸化物７として最も好ましい。

また酸化アルミニウム粉（粒径０．２μｍ）や酸化マグネシウム粉（粒径０．４μｍ）も、マイエナイト粉と比較すれば仕事関数は高いため、動作開始電圧は約４ｋＶ、８ｋＶにおける抑制ピーク電圧は４００〜６００Ｖとやや劣るものの、酸化物７を付着させない場合と比較すれば優れた特性が得られ、安定した酸化物が安価で簡単に入手できることから、付着させる酸化物７として好ましい例である。

次に２５ｋＶの静電気電圧を２５０回まで繰り返し連続放電印加し、繰り返し試験前後の静電気対策部品の絶縁抵抗値を測定した。酸化物７を付着させていない場合には、完全にショートしたものはなかったものの、試験個数１００個中の約１０％の割合で絶縁抵抗値が１０⁶Ω台に低下するものが現れた。一方、マイエナイト粉、酸化アルミニウム粉、酸化マグネシウム粉を付着させた場合には全数で絶縁抵抗値は１０¹⁰Ω以上のままで、繰り返し試験による低下は認められなかった。これらは通常は安定した絶縁抵抗値の高い酸化物であるため、放電用電極３と４のショートを防止する役割をしているものと考えられる。またその役割から、酸化物７が空洞部に位置する放電用電極３、４の全表面に隙間なく付着し覆っておれば、ショートの発生を完全に抑えることができるため、より好ましい。

本実施の形態では酸化物として最も好ましい例としてマイエナイト粉、次に好ましい例として酸化アルミニウム粉、酸化マグネシウム粉を例としてあげたが、亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物であれば仕事関数は低いので、安定して絶縁抵抗値の高い酸化物であれば問題ないことは言うまでもない。

次に、本発明の静電気対策部品の製造方法について図を用いて説明する。なおセラミック素体材料としてフォルステライト、放電用電極３、４としてタングステンを用いているが、本発明の範囲内であれば特に限定するものではない。

以下に、以上のように構成された実施の形態１における静電気対策部品の製造方法について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における静電気対策部品の製造方法の説明図である。

平均粒径約２μｍのフォルステライト粉にアクリル樹脂、可塑剤を加えトルエン等の溶剤で混合したスラリーからドクターブレート法などによって約１００μｍ厚のグリーンシート２１を作製する。このグリーンシート上に、直径２００μｍの孔２２、２３を金型などによってあけ、後の全ての印刷工程における基準穴とする。

平均粒径１μｍのタングステン粉を用いて印刷用ペーストを作製し、上記フォルステライトグリーンシート２１上に、孔２２、２３を基準として放電用電極２４をスクリーン印刷法によってパターン形成する。

次にグリーンシートを作製した同じフォルステライト粉を用いて印刷用ペーストを作製し、グリーンシート２１、放電用電極２４（第１金属層）の上に空洞部壁層２５（空洞部を抜いたパターン）をスクリーン印刷法によってパターン形成する。

直径約３μｍのアクリルビーズとアクリル系樹脂、および放電用電極２４、２７に付着させる酸化物（例えばマイエナイト粉）を混合、混練した樹脂ペーストを作製し、空洞部壁層２５に囲まれた空洞形成部２６に、スクリーン印刷法によって印刷充填する。なお樹脂ペーストとして、アクリル系樹脂を用いているのは、アクリル系樹脂が他の樹脂と比較して低温で分解しやすいため、焼成後に空洞形成部２６周辺の欠陥が発生しにくいという効果があるからであり、他の樹脂であってもさらに低温で分解しやすい樹脂であればよい。またアクリルビーズは後工程のプレス工程によって空洞形成部２６が変形しないようにするために混合している。

これをプレスすることによって表面を平坦化した後、その上部に放電用電極２７（第２金属層）を放電用電極２４と交互に対向するようにスクリーン印刷によってパターン形成する。

部品としての厚みをかせぐために、上下に無効層グリーンシート２８を複数枚積層する。通常グリーンシート積層体内には複数個の部品が集積されているため、個片分割切断ライン２９に沿ってカッターによって切断して個々の部品に分離する。

これらを２００〜３００℃で熱処理して樹脂成分を飛散させた後、窒素雰囲気において、１２５０℃で一体焼成する。空洞形成部２６に充填されたアクリルビーズと樹脂成分は飛散し、酸化物のみが空洞形成部２６内に残存し、焼成後には空洞形成部２６に位置する放電用電極２４、２７の表面および空洞部壁層２５の壁面などに酸化物が付着する。最後に素体側面に放電用電極２４、２７と接続する端子電極（図４では図示せず）を形成することにより、図１に示す本発明の静電気対策部品が得られる。

この方法によれば、放電用電極２４、２７への酸化物の付着と空洞形成部２６を同時に形成することができ、放電用電極２４、２７への酸化物の付着を単独で行う工程を省略することができる。また樹脂ペースト中に混合する酸化物の含有量を変えることによって、放電用電極２４、２７への酸化物付着量を簡単かつ安定して調整することができる。

なお、図４における放電用電極２４は最終的には図１における放電用電極３に該当し、同様に放電用電極２７は放電用電極４に該当し、グリーンシート２１、空洞部壁層２５および無効層グリーンシート２８は素体１に該当し、空洞形成部２６は空洞部２に該当するものである。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における静電気対策部品について、図５を用いて説明をする。

図５は、本発明の実施の形態２における静電気対策部品の断面図である。図５において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付している。

本実施の形態の静電気対策部品は、図１に示したように空洞部２の上下面に放電用電極３、４を配置した構成ではなく、図５のように空洞部２の底面に一定間隔をあけて放電用電極３、４を平面的に対向させる構造である。このような構成であっても実施の形態１の静電気対策部品と同様の効果が得られる。

本実施の形態の製造方法も、図４に示す実施の形態１の製造方法に準じて行うことができ、放電用電極２４を形成する際に、これと同一平面に、これと対向させて放電用電極２７を形成し、その後に空洞部壁層２５を形成し、空洞形成部２６へのアクリル系樹脂と金属酸化物とのペーストを充填し、無効層グリーンシート２８を積層するように実施の形態１の製造方法と同様に実施していけばよい。

また、本実施の形態の静電気対策部品は実施の形態１の静電気対策部品に比べ放電用電極３、４が互いに対向している面積が小さいので寄生容量値を小さくすることができるので、より高周波の信号を扱う回路への使用に優れるが、高電圧による連続繰り返し静電気に対する信頼性では、放電用電極３、４が互いに対向している面積が大きい実施の形態１の静電気対策部品の方が勝る。

なお、実施の形態１および実施の形態２の静電気対策部品において、いずれも、素体１を一つの材料で空洞部２を囲む構成になっているが、複数の構成要素で素体１を構成してもよく、さらに、この複数の構成要素が互いに異なる材料からなるものであってもよい。

以上のように、本発明にかかる静電気対策部品は、低電圧の静電気印加に対しても動作し、静電気抑制効果が高く、また高電圧の静電気を繰り返し印加してもショート不良の恐れがない、高性能かつ高信頼性であるため、静電気対策が要求される各種機器、デバイスに広く適用できる。

本発明の実施の形態１における静電気対策部品の断面図 静電気試験方法の説明図 入力静電気電圧に対する静電気抑制ピーク電圧の関係を示す特性グラフ 本発明の実施の形態１における静電気対策部品の製造方法の説明図 本発明の実施の形態２における静電気対策部品の断面図

符号の説明

１ 素体
２ 空洞部
３、４ 放電用電極
５、６ 端子電極
７ 酸化物
１１ 静電気対策部品
１２ 静電気放電ガン
１３ デジタルオシロスコープ
２１ グリーンシート
２２、２３ 印刷基準穴
２４、２７ 放電用電極
２５ 空洞部壁層
２６ 空洞形成部
２８ 無効層グリーンシート
２９ 個片分割切断ライン

Claims (2)

1. 絶縁体からなる第１グリーンシート上に第１金属層を形成する工程と、
   前記第１金属層上に少なくとも亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物を含有する樹脂ペーストを形成する工程と、
   前記樹脂ペースト上に第２金属層を形成する工程と、
   前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層を被覆するように、前記第１グリーンシート上に絶縁体からなる第２グリーンシートを積層する工程と、
   前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層および前記第１、第２グリーンシートを一体焼成し、前記樹脂ペーストの樹脂成分を揮発させて空洞部を埋設した素体を形成する工程を備えることを特徴とした静電気対策部品の製造方法。
2. 絶縁体からなる第１のグリーンシート上に一定の間隔をあけて対向させた第１金属層および第２金属層を形成する工程と、
   前記第１金属層および第２金属層上に少なくとも亜鉛、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムから選ばれる一種以上の金属からなる金属酸化物を含有する樹脂ペーストを形成する工程と、
   前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層を被覆するように、前記第１グリーンシート上に絶縁体からなる第２グリーンシートを積層する工程と、
   前記樹脂ペーストを介在した前記第１、第２金属層および前記第１、第２グリーンシートを一体焼成し、前記樹脂ペーストの樹脂成分を揮発させて空洞部を埋設した素体を形成する工程を備えることを特徴とした静電気対策部品の製造方法。

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