JP5246338B2 - Esd保護デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置などを静電気破壊から保護するESD保護デバイスに関し、詳しくは、セラミック基材上に対向するように設けられた少なくとも一対の対向電極と、対向電極の一部と対向電極間を覆うように設けられた放電補助電極膜とを備えたESD保護デバイスに関する。
近年、民生機器を使用するにあたって、入出力インターフェースであるケーブルの抜差し回数が増える傾向にあり、入出力コネクタ部に静電気が印加されやすい状況にある。また、信号周波数の高周波化に伴って、設計ルールの微細化でパスが作り込みにくくなり、LSI自体が静電気に対して脆弱になっている。
そのため、静電気放電(ESD)(Electron−Statics Discharge)から、LSIなどの半導体装置を保護するESD保護デバイスが広く用いられるに至っている。
このようなESD保護デバイスとして、図10に示すように、セラミック基材51上に対向するように設けられた少なくとも二つの対向電極52a,52bと、対向電極52a,52bの一部と対向電極間を覆うように設けられた静電気保護材料層53とを備えた静電気対策部品が提案されている(特許文献1参照)。なお、この静電気対策部品においては、静電気保護材料層53を、少なくとも表面に不動態層を形成した金属粒子と樹脂を含み、かつこれらを混練して構成した静電気保護材料ペーストを用いて形成している。
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。
ところで、上記特許文献1の静電気対策部品の場合、静電気保護材料層に樹脂が含まれているため、静電気保護材料層に占める金属粒子の割合に限界があり(臨界PVC)、放電開始電圧を低くしたり、ピーク電圧を低くしたりすることに限界がある。
また、金属粒子間を隔離するために用いられる樹脂は、本来、耐熱性および耐酸化性が必ずしも十分ではないため、繰り返して静電気を印加すると樹脂が劣化して性能が低下するという問題点がある。
特開2007−265713号公報
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、放電開始電圧やピーク電圧を低くすることが可能で、繰り返して静電気を印加しても特性の劣化を生じないESD保護デバイスを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明(請求項1)のESD保護デバイスは、
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。
また、本発明のESD保護デバイスは、
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。
また、本発明のESD保護デバイスは、
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
また、前記放電補助電極膜は、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が望ましい。
また、前記放電補助電極膜は、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が望ましい。
また、前記金属粒子は、Cuを含むものであることが望ましい。
本発明のESD保護デバイスの製造方法は、
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。
本発明のESD保護デバイスの製造方法は、
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。
本発明のESD保護デバイスは、放電補助電極膜として、金属粒子と、ガラスとを主たる成分として含有し、金属粒子がガラスにより覆われた構造を有する電極膜を形成するようにしているので、電子機器や電気機器を確実に保護することが可能なESD保護デバイスを提供することが可能になる。
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、ガラスはESD保護デバイス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いので、ESD保護デバイスの使用による特性の劣化を抑制して、長期間安定して使用することが可能なESD保護デバイスを提供することが可能になる。
なお、一対の対向電極および放電補助電極膜は、セラミック基材の表面または内部のいずれに形成されていてもよい。ただし、一対の対向電極および放電補助電極膜をセラミック基材の内部に配設することにより、外部の影響を受けにくくして、信頼性を向上させることができる。
また、放電補助電極膜と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を配設するようにしていることから、放電補助電極膜に含まれるガラス(金属粒子を覆うガラス)の一部が、バリア層に浸透して、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が抑制されるため、初期の絶縁抵抗ばらつきを低減することが可能になり、特性の安定したESD保護デバイスを提供することが可能になる。
また、放電補助電極膜に、さらに無機酸化物を、金属粒子と、ガラスと、無機酸化物とを合わせたものに対して5〜30体積%の割合で含有させるようにした場合、静電気の印加、放電を繰り返した場合の特性の劣化をさらに低減することができる。
放電補助電極膜に、さらに半導体粉末を、金属粒子と、半導体粉末とを合わせたものに対して5〜50体積%の割合で含有させることにより、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。
また、放電補助電極膜を構成する金属粒子としてCuを含むものを用いることにより、放電開始電圧やピーク電圧を低くすることが可能なESD保護デバイスを構成することができる。
また、本発明のESD保護デバイスの製造方法は、放電補助電極膜の形成に、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用いるとともに、600℃以上で、かつ、ガラスコート金属粒子に用いられているガラスの軟化点よりも高く、かつ、軟化点+200℃を超えない温度で焼成するようにしているので、ショート不良の発生しにくいESD保護デバイスを得ることが可能になる。
また、放電補助電極膜に占める金属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できる。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。
なお、本願発明において、放電補助電極膜の形成に用いられる電極ペーストを構成する、ガラスコート金属粒子は、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%の範囲のものである。そして、このガラスコート金属粒子についての要件である「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%の範囲のもの」とは、金属粒子が露出している程度を示す指標としての意義を有するものであり、金属粒子のガラスに覆われていない部分(露出部分)が多いと、重量増加率は高くなり、覆われている部分が多いと、重量増加率は低くなることになる。
本発明が関連する発明の実施例(実施例1)にかかるESD保護デバイスの構成を模式的に示す正面断面図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスの構成を示す平面図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスの製造方法の一工程でセラミック基材上に対向電極を形成した状態を示す図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスの製造方法の一工程で未焼成の放電補助電極膜を形成した状態を示す図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスの製造方法の一工程で放電補助電極膜上に未焼成の保護膜を形成した状態を示す図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスの放電開始電圧特性を測定する方法を説明する図である。 実施例1にかかるESD保護デバイスのピーク電圧特性を測定する方法を説明する図である。 実施例1にかかる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。 本発明の他の実施例(実施例2)にかかるESD保護デバイスの構成を模式的に示す正面断面図である。 従来の静電気対策部品(ESD保護デバイス)を示す図である。
以下、本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
[実施例1にかかるESD保護デバイスの構成]
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。
このESD保護デバイス10は、図1および2に示すように、セラミック基材1と、セラミック基材1上に形成された一対の対向電極2a,2bと、一対の対向電極2a,2b間に形成された、放電補助電極膜3と、放電補助電極膜3上に配設された保護膜4と、セラミック基材1の両端部に、対向電極2a,2bと導通するように配設された、外部との電気的な接続のための端子電極5a,5bを備えている。
この実施例1では、セラミック基材1として、平面形状が方形で、長さ1.0mm、幅0.5mm、厚み0.3mmのアルミナ基板が用いられている。
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。
また、対向電極2a,2bとして、Cuをスパッタリングにより形成されたCu薄膜電極が用いられている。
そして、放電補助電極膜3は、金属粒子の表面をガラスによりコーティングしたガラスコート金属粒子と、無機酸化物(無機酸化物としては種々のものを用いることが可能であるが、図1,2のESD保護デバイスでは、アルミナ粉末を使用している)と、有機ビヒクルと、分散剤を配合してなる放電補助電極膜形成用の電極ペーストを塗布し、焼成することにより形成されている。
なお、本発明のESD保護デバイス10の製造方法については後述するが、放電補助電極膜3の形成には、種々の方法で作製されたガラスコート金属粒子を用いることができる。
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。
その他にも、ガラスコート金属粒子を作製するための他の手法として、特開2004−149817号公報に示されているような、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を挙げることができる。
さらに、ガラスコート金属粒子を作製するためのさらに他の方法として、金属粒子と微細に粉砕されたガラス粉末とをメカノフュージョン法などでメカノケミカル結合させる方法が挙げられる。
なお、この実施例1のESD保護デバイス10における放電補助電極膜3は、金属粒子であるCu粒子を、特開平10−330802号公報に記載されている方法で作製されたSi−Ca−Ba系ガラスにより被覆したガラスコート金属粒子と、アルミナ粉末(無機酸化物)とを含む電極ペーストを塗布、焼成することにより形成されている。
また、保護膜4は、放電補助電極膜3の形成に用いられるガラスコート金属粒子を構成するガラスと同じ組成を有するSi−Ca−Ba系ガラスと、アルミナ粉末と、有機ビヒクルを含むペーストを塗布、焼成することにより形成されている。
上述のように構成されたESD保護デバイス10は、放電補助電極膜3が、ガラスコート金属粒子と無機酸化物を含む電極ペーストを焼成することにより形成されており、放電補助電極膜3に占める金属粒子の割合を大きくして、ショート不良の発生を抑制、防止することができる。
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、この実施例のESD保護デバイス10では、放電補助電極膜3に、アルミナ粉末(無機酸化物)を、Cu粒子とガラスからなるガラスコート金属粒子とアルミナ粉末(無機酸化物)を合わせたものに対して5〜30体積%の割合で含有させることにより、静電気の印加、放電を繰り返した場合の特性の劣化をさらに抑制することができる。
さらに、放電補助電極膜3を構成する金属粒子としてCu粒子を用いているので、放電開始電圧やピーク電圧を低くすることができる。
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。
[ESD保護デバイスの製造方法]
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、この実施例では、放電補助電極膜の形成に用いられる電極ペーストとして、ガラスコート金属粒子を構成する金属粒子の種類、金属粒子をコートするガラスの組成、軟化点、ガラスコート金属粒子に占めるガラスの割合などを異ならせて電極ペーストを作製し、それを用いて放電補助電極膜を形成した。
この実施例では、金属粒子として、表1の試料番号M−1〜M−12にその組成を示すような金属粒子を用意した。
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。
Figure 0005246338
また、試料番号M−4の金属粒子は、ガラス量(表1におけるコート量)が0%で、ガラスにより被覆されていない金属粒子である。
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。
なお、本発明において、ガラスコート金属粒子は、金属表面がガラスでコートされ、かつ、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15%以下であることが必要である。ガラス組成は特に限定されるものではない。
上述の重量増加率は、以下の方法によって定義されるものである。すなわち、重量増加率は、TG−DTA装置(TAS300,リガク製)を用い、
(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。
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15%を超えるものである場合、金属表面におけるガラスによる被覆率が低く、それを用いて作製したESD保護デバイス10は、ショート不良を起こし易くなり、好ましくない。
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。
なお、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15%以下であっても、金属表面にガラス以外の成分、例えば樹脂で被覆されている場合、それを用いて作製したESD保護デバイス10は、セラミック基板と金属粒子間の固着が不十分となり、繰返し特性が劣化する傾向にある。
次に、無機酸化物として平均粒径が0.03μm、比表面積が55m2/gのアルミナ粉末、および平均粒径が1.0μm、比表面積が10m2/gのシリカ粉末を用意した。
また、樹脂バインダーとして、重量平均分子量が5×104のエチルセルロース樹脂を用意するとともに、溶媒としてターピネオールを用意した。そして、この溶媒に、上記エチルセルロース樹脂を11重量%の割合で溶解させ、有機ビヒクルを作製した。
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。
そして、このようにして準備したガラスコート金属粒子、無機酸化物、有機ビヒクル、分散剤を表2の組成となるように調合し、3本ロールで混錬・分散させることにより放電補助電極膜を形成するための電極ペーストを作製した。
Figure 0005246338
なお、表2において、無機酸化物の種類・割合は、無機酸化物としてアルミナ粉末とシリカ粉末のいずれを用いたか、またはどちらも用いていないかを示し、数値は、上記電極ペースト中の割合(体積%)を示す。
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。
また、セラミック基材として、平面形状が方形で、長さ1.0mm、幅0.5 mm、厚み0.3mmのアルミナ基板を用意した。なお、セラミック基材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ことは上述の通りである。
それから、スパッタ法により、図3に示すように、セラミック基材1上に、Cuからなる一対の対向電極2a,2bを、互いに対向するように10nm〜20μmの厚みで形成する。なお、一対の対向電極2a,2bの間隔Gは、50μmとした。
それから、上記のようにして作製した放電補助電極膜を形成するための電極ペーストを、図4に示すようにスクリーン印刷法を用いて5〜50μmの厚みで印刷し乾燥させることにより平面形状が方形の未焼成の放電補助電極膜3を形成した。この場合、放電補助電極膜3は、図4に示すように、一対の対向電極2a,2bのうちの、一方の対向電極2aの一部を覆うとともに、セラミック基材1の表面の、一対の対向電極2a,2b間に位置する領域を覆うとともに、他方の対向電極2bにまで達して、他方の対向電極2bの一部を覆うように、一連に形成する。
それから、上述の未焼成の放電補助電極膜3の上に、アルミナ粉末とガラスと有機ビヒクルとからなるペーストを、図5に示すような態様でスクリーン印刷し、乾燥させることにより、未焼成の保護膜4を形成した。なお、この保護膜4を形成するためのペーストに使用したガラスは、ガラスコート金属粒子に用いられているガラスと同一のガラスである。なお、アルミナ粉末は、ガラスコート金属粒子に配合した無機酸化物としてのアルミナ粉末と同じものである。
次いで、上述のように、対向電極2a,2b、未焼成の放電補助電極膜3および保護膜4を形成したセラミック基材1を焼成炉にて焼成することにより、セラミック基板1上に一対の対向電極2a,2b、焼成済みの放電補助電極層3および保護膜4を備えた素子1a(図1,2)を得た。なお、焼成処理は、第一段階として窒素雰囲気下にて400℃で30分間キープして脱脂処理を行い、第二段階として窒素−水−水素雰囲気下にて表2に示した焼成温度で30分間焼成した。
それから、焼成後の素子の両端部に、対向電極2a,2bの端部と電気的に接続するように、Agペーストを塗布し、乾燥させた後、焼成して、図1,2に示すように、セラミック基材1の両端部に端子電極5a,5bを形成した。これにより図1,2に示すような構造を有するESD保護デバイス10(表2の試料番号1〜30の試料)が得られる。
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。
上記のようにして作製した試料(ESD保護デバイス)について、以下の方法で、初期ショート特性、放電開始電圧特性、ピーク電圧特性、および繰返し特性の各特性を調べるとともに、その結果に基づいて各試料(ESD保護デバイス)を総合的に評価した。
(イ)初期ショート特性
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。
(ロ)放電開始電圧特性
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。
(ハ)ピーク電圧特性
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。
(ニ)繰返し特性
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。
(ホ)総合評価
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。
Figure 0005246338
表3に示すように、試料番号1〜10,14,21〜27のESD保護デバイスは、優れたESD特性(初期ショート特性,放電開始電圧特性,ピーク電圧特性,繰返し特性)を示すことが確認された。
また、試料番号11、12、15、16のESD保護デバイスでは、初期ショート特性が不良であることが確認された。これは、試料番号11、12、15、16のESD保護デバイスの場合、焼成温度が600℃未満で、放電補助電極層中に樹脂由来の炭素が残留し、この炭素の影響で初期ショート特性が不良になったものと考えられる(表2参照)。
また、試料番号13のESD保護デバイスは、初期ショート特性が不良であったが、これは、「ガラスの軟化点+200℃」を超える高い焼成温度で焼成を行ったため、焼成過程で金属表面のガラス粘度が低下して、金属粒子どうしが液相焼結したため、初期ショート特性不良が発生したものと考えられる。
また、試料番号17〜20のESD保護デバイスの場合、初期ショート特性不良の発生が認められた。これは、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15%を超える、表1のM−3,M−4のガラスコート金属粒子を使用しているため、金属粒子表面のガラスによる被覆が不完全であり、ガラスで被覆されていない金属表面どうしが接触して初期ショート特性不良が発生したためであると考えられる。なお、試料番号17の試料は重量増加率が19%の、表1の試料番号M−3のガラスコート金属粒子が用いられている試料であり、試料番号18〜20の試料は、表1の試料番号M−4の、ガラスにより被覆されていない、重量増加率が25%の金属粒子が用いられている試料である。
また、試料番号28〜30のESD保護デバイスの場合、繰返し特性の不良の発生が認められた。これは、試料番号28〜30のESD保護デバイスの場合、表1のM−12のガラスコート金属粒子が用いられており、金属粒子表面がガラス以外の成分のSiO2ゾルでコートされているため、焼成後の金属粒子とセラミック基板間の固着が不十分で、放電時に金属粒子が移動し易くなり、繰返し特性が不良となったと考えられる。また、試料番号30のESD保護デバイスの場合、初期ショート特性の不良も認められた。これは、焼成温度が1000℃と高いため、金属粒子どうしも焼結してしまったことによる。なお、このことは、金属粒子とセラミック基板との固着を確保するために焼成温度を高くするという手法をとった場合には、金属粒子どうしも焼結してしまい、初期ショート特性不良を招くことを示している。
なお、試料番号3〜9のESD保護デバイスは、絶縁性が高く繰返し特性が特に優れているが、これらの試料は、無機酸化物をガラスコート金属粒子に対し5〜30体積%の範囲で含有させた電極ペーストを用いて放電補助電極膜を形成したものである。これらの試料番号3〜8についての結果から、放電補助電極膜に適量の無機酸化物を含有させることにより、絶縁性を高め、繰返し特性を向上させることができることがわかる。
なお、上記実施例では、本発明の要件を満たすガラスコート金属粒子として、ガラスの割合が2重量%のもの(表1のM−1,M−2、M−5〜M−10)を用いたが、本願発明において、ガラスコート金属粒子におけるガラスの割合はこれに限られるものではなく、他の条件との関係を考慮して、異なる割合とすることも可能である。
また、上記実施例では、無機酸化物として、アルミナ粉末あるいはシリカ粉末をガラスコート金属粒子に対し0〜30体積%の割合で含有させたが、場合によってはこの範囲を超える割合で含有させることも可能である。ただし、30体積%を超えて添加すると、場合によっては、放電開始電圧特性、ピーク電圧特性、繰返し特性などが低下しやすくなる傾向がある。
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。
<変形例>
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。
この図8のESD保護デバイスにおいては、放電補助電極膜3に含まれるガラス(金属粒子を覆うガラス)の一部が、バリア層21に浸透して、放電補助電極膜3を構成する金属粒子間の局所的な過焼結が抑制されるため、初期の絶縁抵抗ばらつきを低減することが可能になり、特性の安定したESD保護デバイスを提供することが可能になる。
[実施例2にかかるESD保護デバイスの構成]
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。
このESD保護デバイス10は、図9に示すように、セラミック基材1の内部の空洞部22にその先端側部分が配設された一対の対向電極2a,2bと、一対の対向電極2a,2b間に配設された放電補助電極膜3と、セラミック基材1の両端部に、対向電極2a,2bと導通するように配設された、外部との電気的な接続のための端子電極5a,5bを備えている。
そして、この実施例2のESD保護デバイスにおいては、絶縁材料粒子(この実施例ではアルミナ粒子)を主たる成分とするバリア層21が、ESD保護デバイスとしての機能を果たすべき部分、すなわち、対向電極2a,2bの対向部分、放電補助電極膜3などから構成される機能部が配設された空洞部22を取り囲むように配設されており、放電補助電極膜3はバリア層21を介してセラミック基材1上に配設されている。
なお、この実施例2のESD保護デバイスにおいては、一対の対向電極2a,2bと放電補助電極膜3とがセラミック基材1の内部に配設されているため、実施例で設けていた保護膜は配設されていない。ただし、さらに信頼性を向上させる見地から保護膜を形成することも可能である。
次に、このESD保護デバイスの製造方法について説明する。
[ESD保護デバイスの作製]
(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。
(2)対向電極形成用の電極ペーストの作製
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。
(3)放電補助電極膜形成用の電極ペーストの作製
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。
(4)空洞部形成用の樹脂ペーストの作製
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。
(5)バリア層形成用のペーストの作製
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。
(6)外部電極形成用の電極ペーストの作製
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。
(7)各ペーストの印刷
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の上に対向電極形成用の電極ペーストを塗布して、未焼成の対向電極を構成する一方側対向電極および他方側対向電極を形成した。これにより、一方側対向電極と他方側対向電極の互いに対向する先端部間に放電ギャップが形成される。
なお、この実施例2では、対向電極を構成する一方側対向電極、他方側対向電極の幅Wが100μm、放電ギャップの寸法が20μmとなるようにした。
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。
次いで、前記未焼成の空洞部形成層の上にバリア層形成用のペーストを塗布して、未焼成のバリア層を形成した。
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。
(8)積層、圧着
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。
(9)カットおよび外部電極ペーストの印刷
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。
(10)焼成
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。
[評価]
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。
さらに、実施例2のESD保護デバイスは、上述のように機能部がセラミック基材の内部の空洞部に配設されており、放電補助電極膜の上方に空洞部が設けられていることから、ESD印加時の放電量が増加し、ピーク電圧特性のばらつきが抑制されることが確認された。
また、この実施例2のESD保護デバイスにおいても、初期抵抗値のばらつきが小さくなる傾向が認められた。これは、放電補助電極膜がバリア層を介してセラミック基材上に配設されており、放電補助電極に含まれるガラス(金属粒子を覆うガラス)の一部が、バリア層に浸透して、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が抑制されることによるものと考えられる。
なお、上記実施例では、バリア層形成用のペーストを構成する材料(無機絶縁材料粒子)としてアルミナ粉末を使用したが、バリア層を構成する無機絶縁材料粒子の種類に特別の制約はなく、アルミナ粉末以外にも、例えば、酸化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの無機酸化物を単独で、または複数種類混合したものなどを用いることができる。また、公知のガラスを単独または複数種類混合して使用することも可能である。また、上述のような無機絶縁材料粒子とガラスとを混合して使用することも可能である。
また、上記実施例のESD保護デバイスにおいては、放電補助電極膜を、金属粒子と、金属粒子を覆うガラスと、無機酸化物とを主たる成分として含有する材料から形成するようにしているが、無機酸化物に代えて、あるいは、無機酸化物に加えて、半導体粉末を含有させることが可能である。
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。
また、金属粒子に半導体粉末を添加することにより、無機酸化物のみを含有させた場合に比べて、クランプ電圧特性を向上させることが可能になる。これは、半導体の比抵抗が無機酸化物よりも低いため、半導体粉末を添加した放電補助電極膜の内部導通性が、無機酸化物を添加した放電補助電極膜の内部導通性よりも良好であることによるものと推察される。なお、クランプ電圧とは、上記実施例1でピーク電圧特性を調べるのにあたって用いた回路と同様の回路を組み、静電気パルス印加部に静電気試験ガンを接触させて8kvoltの静電気を印加し、その際に、オシロスコープで測定される30ns後の電圧である。
なお、無機酸化物のみを含有させたものにおいても、クランプ電圧が50〜100voltと良好な結果を得ることができたが、半導体粉末を含有させたものは、クランプ電圧が50volt未満と極めて優れたクランプ電圧特性を示すことが確認された。
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。
これは、5体積%未満では、十分な添加効果を得ることができず、また、50体積%を超えて添加すると、放電補助電極膜に占めるガラスコート金属粒子の割合が小さくなり、金属粒子と半導体粉末との接合点数が減少し、ESD印加時に放電エネルギーによって金属粒子や半導体が飛散し、繰返しピーク電圧特性が劣化することによる。
また、半導体粉末の種類は、セラミック基材や金属粒子を覆っているガラスとの反応性、焼成過程における安定性などを考慮して選択することが好ましい。
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。
また、セラミック基材の構成材料としては、実施例1で用いたようなアルミナ、実施例2で用いたようなガラスセラミックに代えて、フェライトを用いてもよい。
なお、上記実施例2では、空洞部を全体的に覆うようにバリア層が配設された構造を有するESD保護デバイスを例にとって説明したが、バリア層は、放電補助電極膜とセラミック基材層が直接に接することになる部分にのみ配設するように構成することも可能である。
本発明はその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、放電補助電極膜の形成に用いられる電極ペーストを構成する材料の具体的な組成や、放電補助電極膜自体の成分や組成、放電補助電極膜の厚み、平面形状、配設態様などの条件、無機酸化物の種類、保護膜を構成する材料の種類、本発明のESD保護デバイスの製造工程における、具体的な条件などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
上述のように、本発明によれば、放電開始電圧やピーク電圧を低くすることが可能で、繰り返して静電気を印加しても特性の劣化を生じないESD保護デバイスを提供することが可能になる。
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。
1 セラミック基材
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  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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