JP5246338B2 - Esd保護デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、図8の静電気対策部品は、さらに、中間層54および保護層55を備えている。
セラミック基材と、前記セラミック基材の表面または内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するように配設された放電補助電極膜とを備えたESD保護デバイスであって、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
を特徴としている。
セラミック基材の表面に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極のそれぞれの一部と、前記セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように一連に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスであって、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
を特徴としている。
セラミック基材の内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するように前記セラミック基材の内部に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスであって、
前記セラミック基材の内部には空洞部が形成されており、
前記一対の対向電極は、前記先端部の互いに対向する領域が、前記空洞部に臨むセラミック基材上に配設されており、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、前記一対の対向電極間を接続するとともに、前記空洞部に臨むセラミック基材上の、少なくとも前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように配設されているとともに、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
セラミック基材の表面に所定の間隔をおいて配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極のそれぞれの一部と、前記セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように一連に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスの製造方法であって、
金属粒子がガラスで覆われ、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が3〜15%の範囲にあるガラスコート金属粒子と、樹脂バインダーと、溶剤とを含む電極ペーストを、一対の対向電極のそれぞれの一部と、セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように塗布する工程と、
600℃以上で、かつ、前記ガラスコート金属粒子に用いられている前記ガラスの軟化点よりも高く、かつ、前記軟化点+200℃を超えない温度で焼成することにより、前記放電補助電極膜を形成する工程と
を具備することを特徴としている。
セラミック基材と、前記セラミック基材の表面または内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するように配設された放電補助電極膜とを備えたESD保護デバイスの製造方法であって、
金属粒子がガラスで覆われ、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が3〜15%の範囲にあるガラスコート金属粒子と、樹脂バインダーと、溶剤とを含む電極ペーストが、未焼成のセラミック基材の表面または内部に配設された一対の対向電極を互いに接続するように付与された未焼成構造体を形成する工程と、
600℃以上で、かつ、前記ガラスコート金属粒子に用いられている前記ガラスの軟化点よりも高く、かつ、前記軟化点+200℃を超えない温度で焼成することにより放電補助電極膜を形成する工程と
を具備することを特徴としている。
また、金属粒子をガラスにより覆うようにした場合、樹脂を用いる場合に比較して少ない量のガラスで金属粒子の表面を覆うことが可能で、放電補助電極膜に占める金属粒子の含有量を高くできるので、放電開始電圧を低くすることが可能になる。また、ESD保護デバイスに静電気を印加した時のピーク電圧を低くできる。
さらに、従来のESD保護デバイスのように、静電気保護材料層に樹脂を含有させていないので、放電を繰り返しても特性の劣化を招くことがなく、長期間にわたって安定した特性を発揮することが可能なESD保護デバイスを得ることができる。
図1は、本発明が関連する発明の実施例(実施例1)にかかるESD保護デバイスの構造を模式的に示す断面図であり、図2は、その平面図である。
セラミック基材1の構成材料に制約はなく、シリコン基板など他の種類のものを用いることも可能である。なお、セラミック基材1としては比誘電率が50以下、好ましくは10以下のものを用いることが望ましい。
すなわち、ガラスコート金属粒子の製造方法としては、例えば、特開平10−330802号公報に示されているような、熱分解性金属化合物を含む溶液とガラス質を形成する無機酸化物前駆体溶液とを噴霧熱分解炉中に噴霧して形成する方法を挙げることができる。この手法は、金属種やガラス組成に対する自由度が高く、本発明を具現化するには好適である。
また、放電補助電極膜3に占める金属粒子の割合を高くすることができるため、放電開始電圧を低くすることが可能になる。
さらに、ガラスはESD保護デバイス10への静電気の印加および放電を繰り返した場合にも劣化しにくく、長期間安定して使用することができる。
また、放電補助電極膜3上に保護膜4を設けているので、外部の雰囲気などの影響を受けにくくして、より信頼性を向上させることができる。
次に、上記実施例1にかかるESD保護デバイス10の製造方法について説明する。
なお、試料番号M−1〜M−3、M−5〜M−11の金属粒子は、熱分解性金属化合物を含む溶液とガラス質を形成する無機酸化物前駆体溶液とを噴霧熱分解炉中に噴霧して形成する方法(特開平10−330802の方法)を用いて作製したガラスコート金属粒子である。
表1において、試料番号に*印を付したものは、本発明の要件を欠く金属粒子である。
また、M−3の金属粒子は、ガラス量(表1におけるコート量)が1%で、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が19%の金属粒子であり、試料番号M−4の金属粒子は、金属粒子がガラスにより被覆されていない、重量増加率が25%の金属粒子である。
また、試料番号M−12の金属粒子は、水性有機溶媒中にて金属粒子、オルガノシラン化合物、水を反応させてオルガノシランの加水分解生成膜を形成させ、得られた懸濁液にゲル化剤を添加して金属粒子表面にシリカ系ゲルコーティング膜を形成させる際に、ガラス形成性成分を溶解した水溶液を添加する方法(特開2004−149817号公報の方法)(ゾル−ゲル法)にて作製したものである。
(a)試料重量:30mg,
(b)雰囲気ガス:空気,
(c)雰囲気ガス流量:200ml/分,
(d)セル:αアルミナ,
(e)プロファイル:室温〜400℃まで20℃/分で昇温→400℃にて2時間保持
の条件で、試料の初期重量T0と400℃2時間保持後の重量T1を測定し、下記の式(1):
重量増加率(%)=100×(T1−T0)/T0 ……(1)
より求めた値である。
また、ガラスコート金属粒子が、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が3%未満のものである場合、金属表面におけるガラスによる被覆率が高く、それを用いて作製したESD保護デバイス10は、放電開始電圧が高くなる傾向があり、好ましくない。
さらに、分散剤として塩基量が880μmol/g、酸量が980μmol/gの多価脂肪酸アミン塩の分散剤を用意した。
また、表2において、無機酸化物の体積%はガラスコート金属粒子と無機酸化物の合計に対する無機酸化物の体積比率を表す。
なお、表2において、試料番号に*印を付した試料は本発明の範囲外の比較例の試料である。
各試料(ESD保護デバイス)の端子電極5a,5bに50voltの直流電圧を印加して、絶縁抵抗を測定した。108Ω以上の絶縁抵抗を示したものを初期ショート特性が良好「○」、108Ω未満の絶縁抵抗を示したものを初期ショート特性が不良「×」と判定した。なお、初期ショート特性において、不良と判定されたESD保護デバイスは、放電開始電圧特性、ピーク電圧特性評価を行わなかった。
図6に示すように、各試料(ESD保護デバイス10)の一方の端子をグランド11に接地するとともに、他方の端子から引き出した静電気パルス印加部12に静電気試験ガン13を接触させて300voltの静電気パルスを印加した。静電気印加時に放電して絶縁破壊を起こして導通したものを放電開始電圧特性が良好「○」と判定した。
図7に示すように、各試料(ESD保護デバイス10)、静電気試験ガン13、オシロスコープ14とからなる回路を組み、静電気パルス印加部12に静電気試験ガン13を接触させて8kvoltの静電気を印加した。その際に、オシロスコープ14で測定される電圧をピーク電圧と定義し、ピーク電圧が500volt未満のものをピーク電圧特性が良好「○」と判定し、ピーク電圧が500volt以上のものをピ−ク電圧特性が不良「×」と判定した。
上記(ハ)におけるピーク電圧特性評価と同様の回路を組み、静電気パルス印加部12に静電気試験ガン13を接触させて8kvoltの静電気を10回印加した。10回印加した後、再度8kvoltの静電気を印加してピーク電圧を測定し、ピーク電圧が500volt以上の場合、繰返し特性が不良「×」と判定した。次に、ピーク電圧が500volt未満の試料について、さらに8kvoltの静電気を100回印加した後、再度静電気を印加してピーク電圧を測定し、ピーク電圧が500volt以上の場合、繰返し特性が良「○」と判定し、500volt未満の場合、繰返し特性が優「◎」と判定した。
上記の各特性の評価において、全ての特性が良好であったものを良好「○」と判定し、さらにその中で、繰返し特性が◎の試料を優良「◎」と判定した。
また、各特性のうち、いずれか1つでも不良が認められたものについては不良「×」と判定した。
上述のようにして各特性について調べた結果を表3に示す。
また、無機酸化物を添加する場合、5体積%未満では、通常、添加効果を奏しにくい。
したがって、無機酸化物を添加する場合には、通常、5〜30体積%の割合とすることが望ましい。
図8は、実施例1のESD保護デバイスの変形例であって、本発明の実施例となるESD保護デバイスを示す図である。この図8のESD保護デバイスは、放電補助電極膜3および一対の対向電極2a,2bの先端側部分と、セラミック基材1の間に介在するように、無機絶縁材料粒子(ここではアルミナ粒子)を主たる成分として含有するバリア層21が配設された構成を有している。
図9は、本発明の他の実施例(実施例2)にかかるESD保護デバイスの構造を模式的に示す正面断面図である。
次に、このESD保護デバイスの製造方法について説明する。
(1)セラミックグリーンシートの作製
セラミック基材を形成するためのセラミックグリーンシートには、セラミック材料として、Ba、Al、Siを中心とした組成からなる非ガラス系低温焼結セラミック材料を用いた。
セラミックグリーンシートを作製するにあたっては、まず、各素材を所定の組成になるよう調合、混合し、800〜1000℃で仮焼した。得られた仮焼粉末をジルコニアボールミルで12時間粉砕し、セラミック粉末を得た。このセラミック粉末に、トルエン・エキネンなどの有機溶媒を加え混合した。さらに、ブチラール樹脂、イミダゾリン型帯電防止剤(カウンターアニオンがスルホン酸)、および可塑剤を加えて混合し、スラリーを得た。このようにして得たスラリーをドクターブレード法により成形することにより、厚さ50μmのセラミックグリーンシートを得た。
なお、このセラミックグリーンシートは、焼成過程でガラス成分を生成し、焼成後にガラスセラミック基材となる。
粒径が1μmのCu粉末40重量%と、粒径が3μmのCu粉末40重量%と、エチルセルロースをターピネオールに溶解して作製した有機ビヒクル20重量%とを調合し、3本ロールで混合することにより対向電極形成用の電極ペーストを作製した。
放電補助電極膜を形成するために用いられる電極ペーストとしては、上記実施例1と同様のものを作製した。
平均粒径が約1μmの架橋アクリル樹脂ビーズ38重量%と、エチルセルロースをジヒドロターピニルアセテートに溶解して作製した有機ビヒクル62重量%とを調合し、3本ロールで混合することにより空洞部形成用の樹脂ペーストを作製した。
平均粒径が約0.5μmのアルミナ粉末50重量%と、エチルセルロースをターピネオールに溶解して作製した有機ビヒクル50重量%とを調合し、3本ロールで混合することによりバリア層形成用のペースト(アルミナペースト)を作製した。
平均粒径が約1μmのCu粉末80重量%と、転移点620℃、軟化点720℃で、平均粒径が約1μmのホウケイ酸アルカリ系ガラスフリット5重量%と、エチルセルロースをターピネオールに溶解して作製した有機ビヒクル15重量%とを調合し、3本ロールで混合することにより外部電極形成用の電極ペーストを作製した。
まず、セラミックグリーンシートの一方主面に、バリア層形成用のペースト(アルミナペースト)を塗布して未焼成のバリア層を形成した。
次いで、未焼成のバリア層の上に、放電補助電極形成用の電極ペーストを塗布して、未焼成の放電補助電極膜を形成した。
それから、未焼成の放電補助電極膜および未焼成の対向電極の上に空洞部形成用の樹脂ペーストを塗布して、未焼成の空洞部形成層を形成した。
これにより、セラミックグリーンシート上に、未焼成のバリア層、未焼成の放電補助電極膜、未焼成の一対の対向電極、未焼成の空洞部形成層が配設され、さらに空洞部形成層を覆うように未焼成のバリア層が配設された、ESD保護デバイスとしての機能部となるべき構造部分を備えたセラミックグリーンシートが得られる。
上記(7)で作製した、ESD保護デバイスとしての機能部となるべき構造部分を備えたセラミックグリーンシートの一方主面側および他方主面側に、セラミックグリーンシートを所定枚数積層、圧着し、厚みが約500μmの未焼成の積層体を得た。
上記(8)で作製した積層体をマイクロカッターにて、焼成後に平面形状が長方形で長さが1.0mm、幅が0.5mmとなるようにカットした。
次いで、積層体の切断端面に、対向電極と接続するように外部電極ペーストを塗布し、未焼成の外部電極を形成した後、焼成することによりESD保護デバイスとなる未焼成構造体が得られる。
上記(9)で作製した未焼成構造体を上記実施例1の場合と同じ条件で焼成することにより、図9に示すような構造を有する実施例2にかかるESD保護デバイスを得た。
この実施例2のESD保護デバイスも、基本的に上記実施例1のESD保護デバイスと同様の効果が得られることが確認された。
半導体粉末の添加によって、放電補助電極膜を構成する金属粒子間の局所的な過焼結を抑制することが可能になり、初期ショート不良の発生頻度を低減することができる。
なお、放電補助電極膜に半導体粉末を含有させる場合、ガラスコート金属粒子と半導体粉末の合計に対して5〜50体積%の割合で半導体粉末を含有させることが好ましい。
例えば、炭化物半導体(炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化チタン、炭化モリブデン、炭化タングステンなど)、窒化物半導体(窒化ニオブ、窒化チタン、窒化ジルコニウムなど)、ホウ化物半導体(ホウ化チタン、ホウ化シルコニウム、ホウ化ニオブ、ホウ化モリブデン、ホウ化タングステン、ホウ化ランタンなど)、ケイ化物半導体(ケイ化チタン、ケイ化ジルコニウム、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデン、ニオブなど)をはじめとする種々の材料を単独で、または複数種混合して使用することができる。
したがって、本発明は半導体装置などをはじめとする種々の機器、装置の保護のために用いられるESD保護デバイスの分野に広く適用することが可能である。
1a 素子
2a,2b 対向電極
3 放電補助電極膜
4 保護膜
5a,5b 端子電極
10 ESD保護デバイス
11 グランド
12 静電気パルス印加部
13 静電気試験ガン
14 オシロスコープ
21 バリア層
22 空洞部
G 一対の対向電極の間隔
Claims (8)
- セラミック基材と、前記セラミック基材の表面または内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するよう配設された放電補助電極膜とを備えたESD保護デバイスであって、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
を特徴とするESD保護デバイス。 - セラミック基材の表面に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極のそれぞれの一部と、前記セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように一連に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスであって、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
を特徴とするESD保護デバイス。 - セラミック基材の内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するように前記セラミック基材の内部に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスであって、
前記セラミック基材の内部には空洞部が形成されており、
前記一対の対向電極は、前記先端部の互いに対向する領域が、前記空洞部に臨むセラミック基材上に配設されており、
前記放電補助電極膜が、金属粒子と、前記金属粒子を覆うガラスとを主たる成分として含有するものであり、かつ、前記一対の対向電極間を接続するとともに、前記空洞部に臨むセラミック基材上の、少なくとも前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように配設されているとともに、
前記放電補助電極膜と前記セラミック基材との間に、無機絶縁材料粒子を主たる成分として含有するバリア層が配設されていること
を特徴とするESD保護デバイス。 - 前記放電補助電極膜が、さらに無機酸化物を、前記金属粒子と、前記ガラスと、前記無機酸化物とを合わせたものに対して5〜30体積%の割合で含有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のESD保護デバイス。
- 前記放電補助電極膜が、さらに半導体粉末を、前記金属粒子と、前記半導体粉末とを合わせたものに対して5〜50体積%の割合で含有していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のESD保護デバイス。
- 前記金属粒子が、Cuを含むものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のESD保護デバイス。
- セラミック基材の表面に所定の間隔をおいて配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極のそれぞれの一部と、前記セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように一連に配設された放電補助電極膜を備えたESD保護デバイスの製造方法であって、
金属粒子がガラスで覆われ、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が3〜15%の範囲にあるガラスコート金属粒子と、樹脂バインダーと、溶剤とを含む電極ペーストを、一対の対向電極のそれぞれの一部と、セラミック基材の表面の、前記一対の対向電極間に位置する領域を覆うように塗布する工程と、
600℃以上で、かつ、前記ガラスコート金属粒子に用いられている前記ガラスの軟化点よりも高く、かつ、前記軟化点+200℃を超えない温度で焼成することにより放電補助電極膜を形成する工程と
を具備することを特徴とするESD保護デバイスの製造方法。 - セラミック基材と、前記セラミック基材の表面または内部に所定の間隔をおいて先端部が互いに対向するように配設された一対の対向電極と、前記一対の対向電極間を接続するように配設された放電補助電極膜とを備えたESD保護デバイスの製造方法であって、
金属粒子がガラスで覆われ、空気中において400℃で2時間保持したときの重量増加率が3〜15%の範囲にあるガラスコート金属粒子と、樹脂バインダーと、溶剤とを含む電極ペーストが、未焼成のセラミック基材の表面または内部に配設された一対の対向電極を互いに接続するように付与された未焼成構造体を形成する工程と、
600℃以上で、かつ、前記ガラスコート金属粒子に用いられている前記ガラスの軟化点よりも高く、かつ、前記軟化点+200℃を超えない温度で焼成することにより放電補助電極膜を形成する工程と
を具備することを特徴とするESD保護デバイスの製造方法。
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