JP5348117B2 - 静電気保護素子の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、静電気保護素子に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）に並列に接続することによりＬＥＤを静電気放電（Electrostatic Discharge：ＥＳＤ）から保護する静電気保護素子として、ツェナーダイオードが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−２５１１６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている静電気保護素子は、以下のような問題点を有している。ツェナーダイオードは、一般に、シリコンからなる。シリコンは、電子のバンド間遷移による光吸収波長が可視光領域となる。このため、ツェナーダイオードが、ＬＥＤと共に基板やリードフレームなどに実装されると、ＬＥＤから発せられる光を吸収してしまう。この結果、ＬＥＤの発光効率が低下することとなる。

本発明の目的は、ＬＥＤと共に実装された場合でも、ＬＥＤの発光効率が低下するのを抑制することが可能な静電気保護素子を提供することである。

本発明に係る静電気保護素子は、ＺｎＯを主成分とすると共に副成分としてＣｏを含有する焼結体からなるバリスタ部と、バリスタ部を挟んで配置された複数の導体部と、を備えており、複数の導体部のうち少なくとも一つの導体部が、ＺｎＯを主成分とすると共に副成分としてＣｏを実質的に含有しない焼結体からなることを特徴とする。

本発明に係る静電気保護素子では、バリスタ部がＺｎＯを主成分とすると共に副成分としてＣｏを含有する焼結体からなる。Ｃｏは、バリスタ特性を発現させるための材料である。このため、バリスタ部は、電流−電圧非直線特性、いわゆるバリスタ特性を発現する。したがって、本発明に係る静電気保護素子のバリスタ部をＬＥＤと並列に接続すると、ＬＥＤをＥＳＤから保護することができる。

本発明では、複数の導体部のうち少なくとも一つの導体部が、ＺｎＯを主成分とする焼結体からなる。ＺｎＯは、電子のバンド間遷移による光吸収波長が紫外線領域となり、可視光を透過する性質を有する。このため、静電気保護素子がＬＥＤと共に実装された場合でも、少なくとも一つの導体部はＬＥＤから発せられる光を吸収し難く、透過させる。

ＺｎＯを主成分とする焼結体では、当該焼結体に入射した光は、ＺｎＯの結晶粒の粒界で散乱される。本発明では、少なくとも一つの導体部を構成する焼結体は、Ｃｏを実質的に含有しないことから、少なくとも一つの導体部では、バリスタ部に比して、ＺｎＯの粒成長が促進され、ＺｎＯの結晶粒が大きくなる。このため、少なくとも一つの導体部では、ＺｎＯの結晶粒の粒界が少なくなり、粒界での散乱が抑制される。

これらの結果、本発明によれば、静電気保護素子がＬＥＤと共に実装された場合でも、ＬＥＤの発光効率が低下するのを抑制することができる。少なくとも一つの導体部を構成する焼結体は、Ｃｏを実質的に含有しないため、バリスタ特性が発現し難く、比較的高い導電性を有することとなる。したがって、少なくとも一つの導体部において、電極としての機能が阻害されることはない。

複数の導体部のうち、少なくとも一つの導体部とバリスタ層を挟んで配置された導体部が、金属からなっていてもよい。この場合、金属からなる導体部へのワイヤボンデングが可能となる。

少なくとも一つの導体部の厚みが、バリスタ部の厚みよりも大きく設定されていてもよい。この場合、少なくとも一つの導体部を基板やリードフレームなどに導電ペースト（たとえば、銅ペーストなど）を用いて接続する際に、バリスタ部が基板やリードフレームなどから物理的に離されることとなる。この結果、導電ペーストがバリスタ部に付着し難くなり、導電ペーストの付着によりバリスタ部の機能が阻害されるのを防ぐことができる。

本発明によれば、ＬＥＤと共に実装された場合でも、ＬＥＤの発光効率が低下するのを抑制することが可能な静電気保護素子を提供することができる。

本実施形態に係る静電気保護素子を示す斜視図である。 本実施形態に係る静電気保護素子の断面構成を説明する図である。 本実施形態に係る静電気保護素子の実装構造を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る静電気保護素子１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る静電気保護素子を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る静電気保護素子の断面構成を説明する図である。

静電気保護素子１は、図１及び図２に示されるように、バリスタ部３と、バリスタ部を挟んで配置された複数（本実施形態においては、二つ）の導体部５，７と、を備えている。静電気保護素子１は、バリスタ部３と導体部５，７とが積層された層構造体とされている。静電気保護素子１は、略直方体形状を呈している。静電気保護素子１は、たとえば、長さが０．２５ｍｍ程度に設定され、幅が０．２５ｍｍ程度に設定され、高さが０．１５ｍｍ程度に設定される。実際の静電気保護素子１では、バリスタ部３と導体部７とは、バリスタ部３と導体部７との間の境界が視認できない程度に一体化されている。

バリスタ部３は、バリスタ特性を発現する焼結体（半導体セラミック）からなる。バリスタ部３は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）を主成分として含むと共に、副成分としてＣｏ、希土類金属元素、ＩＩＩｂ族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、アルカリ金属元素（Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）及びアルカリ土類金属元素（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）等の金属単体やこれらの酸化物を含む。本実施形態において、バリスタ部３は、副成分としてＣｏ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、Ａｌ、及びＳｉを含んでいる。バリスタ部３におけるＺｎＯの含有量は、特に限定されないが、バリスタ部３を構成する全体の材料を１００質量％とした場合に、通常、９９．８〜６９．０質量％である。バリスタ部３の厚みは、たとえば５〜５０μｍ程度に設定される。

Ｃｏは、ＺｎＯの結晶粒界にアクセプター準位を形成し、バリスタ特性を発現させる物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＣｏの比率は、Ｃｏに換算して、たとえば０．１原子％以上２０原子％以下の範囲に設定される。

Ｐｒは、結晶粒界への酸素の拡散速度を速める物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＰｒの比率は、Ｐｒに換算して、たとえば０．０５原子％以上５原子％以下の範囲に設定される。

Ｃｒは、高温おける負荷特性を改善する物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＣｒの比率は、Ｃｒに換算して、たとえば０．０１原子％以上１原子％以下の範囲に設定される。

Ｃａは、バリスタ部３に発現する静電容量を低下させる物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＣａの比率は、Ｃａに換算して、たとえば０．０１原子％以上２原子％以下の範囲に設定される。

Ｋは、バリスタ特性を改善する物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＫの比率は、Ｋに換算して、たとえば０．００１原子％以上１原子％以下の範囲に設定される。

Ａｌは、ＺｎＯを含む主成分への電子量を制御するためのドナーとして働き、主成分への電子量を上げ、組成物を半導体化させる物質として作用する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＡｌの比率は、Ａｌに換算して、たとえば０．０００５原子％以上０．５原子％以下の範囲に設定される。

Ｓｉは、ＺｎＯを含む主成分への電子量を制御するためのドナーとして働き、主成分への電子量を上げ、組成物を半導体化させる物質として作用すると共に、焼結を制御する。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＳｉの比率は、Ｓｉに換算して、たとえば０．００１原子％以上０．５原子％以下の範囲に設定される。

導体部５は、バリスタ部３の一つの主面を覆うように配置されている。導体部５は、バリスタ部３の一つの主面上に形成された第１導体層５ａと、第１導体層５ａ上に形成された第２導体層５ｂと、を有している。導体部５（第１及び第２導体層５ａ，５ｂ）は、金属からなる。第１導体層５ａは、たとえばアルミニウム（Ａｌ）又はニッケル（Ｎｉ）からなり、厚みが０．５〜５μｍ程度に設定される。第２導体層５ｂは、たとえば金（Ａｕ）からなり、厚みが０．０５〜１μｍ程度に設定される。第１及び第２導体層５ａ，５ｂは、たとえば蒸着法やスパッタリング法などにより形成することができる。

導体部７は、導体部５が配置された主面に対向する主面を覆うように配置されている。導体部７は、ＺｎＯを主成分として含む焼結体からなる。導体部７は、ＺｎＯの他に、副成分として希土類金属元素、ＩＩＩｂ族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、アルカリ金属元素（Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）及びアルカリ土類金属元素（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）等の金属単体やこれらの酸化物を含む。導体部７におけるＺｎＯの含有量は、特に限定されないが、導体部７を構成する全体の材料を１００質量％とした場合に、通常、９９．８〜６９．０質量％である。

本実施形態において、導体部７は、副成分としてＰｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、Ａｌ、及びＳｉを含んでおり、Ｃｏを実質的に含んでいない。ここで、「実質的に含んでいない」状態とは、Ｃｏを、導体部７を構成する材料を調製する際に原料として意図的に含有させなかった場合の状態をいうものとする。たとえば、バリスタ部３から導体部７への拡散等によって意図せずにこれらの元素が含まれる場合は、「実質的に含有していない」状態に該当する。

導体部７は、Ｃｏを実質的に含有しないため、バリスタ部３とは異なり、バリスタ特性を発現し難い。このため、導体部７は、電気抵抗が低く、比較的高い導電性を有する、このため、導体部７は、導体部５と同様に、電極として機能する。導体部７の厚みは、バリスタ部３の厚みよりも大きく設定される。導体部７の厚みは、たとえば１００〜１４０μｍ程度に設定される。

導体部７におけるＰｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、Ａｌ、及びＳｉの含有量は以下の通りである。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＰｒの比率は、Ｐｒに換算して、たとえば０．０５原子％以上５原子％以下の範囲に設定される。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＣｒの比率は、Ｃｒに換算して、たとえば０．０１原子％以上１原子％以下の範囲に設定される。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＣａの比率は、Ｃａに換算して、たとえば０．０１原子％以上２原子％以下の範囲に設定される。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＫの比率は、Ｋに換算して、たとえば０．００１原子％以上１原子％以下の範囲に設定される。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＡｌの比率は、Ａｌに換算して、たとえば０．０００５原子％以上０．５原子％以下の範囲に設定される。主成分（ＺｎＯ）１００モルに対するＳｉの比率は、Ｓｉに換算して、たとえば０．００１原子％以上０．５原子％以下の範囲に設定される。

続いて、上述した構成を有する静電気保護素子１の製造過程の一例について説明する。

まず、バリスタ部３を構成する主成分であるＺｎＯと、Ｃｏ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、及びＡｌの金属又は酸化物等の微量添加物とを所定の割合となるように各々秤量した後、各成分を混合してバリスタ材料を調整する。その後、このバリスタ材料に有機バインダ、有機溶剤、有機可塑剤等を加えて、ボールミル等を用いて混合及び粉砕を行ってスラリーを得る。このスラリーを、ドクターブレード法等の公知の方法により、例えばポリエチレンテレフタレートからなるフィルム上に塗布した後、乾燥して所定の厚さ（たとえば３０μｍ程度）の膜を形成する。こうして得られた膜をフィルムから剥離して第１のグリーンシートを得る。

また、導体部７を構成する主成分であるＺｎＯと、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、及びＡｌの金属又は酸化物等の微量添加物とを所定の割合となるように各々秤量した後、各成分を混合して導体部７用の材料を調整する。その後、この導体部７用の材料に有機バインダ、有機溶剤、有機可塑剤等を加えて、ボールミル等を用いて混合及び粉砕を行ってスラリーを得る。このスラリーを、ドクターブレード法等の公知の方法により、例えばポリエチレンテレフタレートからなるフィルム上に塗布した後、乾燥して所定の厚さ（たとえば３０μｍ程度）の膜を形成する。こうして得られた膜をフィルムから剥離して第２のグリーンシートを得る。

次に、第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとを所定の枚数ずつ重ね、第１のグリーンシートからなる層と第２のグリーンシートからなる層とが積層されたシート積層体を形成する。このとき、第２のグリーンシートの枚数を第１のグリーンシートの枚数よりも多くすることにより、第２のグリーンシートからなる層の厚みを第１のグリーンシートからなる層の厚みより大きくしている。第１のグリーンシートの枚数は、少なくとも１枚でよい。

次に、シート積層体に、所定の条件（たとえば、１８０〜４００℃で且つ０．５〜２４時間）で加熱処理を実施して脱バインダを行った後、さらに、所定の条件（たとえば、１０００〜１４００℃で且つ０．５〜８時間）で焼成を行い、焼結体基板を得る。この焼成によって、第１のグリーンシートからなる層はバリスタ部３となり、第２のグリーンシートからなる層は導体部７となる。このように、第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとは積層された状態で、同時に焼成される。

次に、焼結体基板の一方の主面上に、当該一方の主面を覆うように、蒸着法やスパッタリング法などにより、金属（たとえば、ＡｌやＮｉなど）からなる第１金属膜を形成する。その後、第１金属膜上の所定の位置に、同じく蒸着法やスパッタリング法や電気めっき法などにより、金属（たとえば、Ａｕなど）からなる第２金属膜を形成する。第１金属膜は、第１導体層５ａとなり、第２金属膜は、第２導体層５ｂとなる。

次に、焼結体基板を所望のサイズに切断する。これらの過程により、静電気保護素子１が得られる。

続いて、図３を参照して、本実施形態に係る静電気保護素子１の実装構造について説明する。図３は、本実施形態に係る静電気保護素子の実装構造を示す模式図である。図３では、パッケージや封止樹脂などの図示を省略している。

ＬＥＤ１１は、一対のリード１３ａ，１３ｂを有するリードフレーム１３に実装されている。具体的には、ＬＥＤ１１は、一方のリード１３ａ上に載置されており、一方のリード１３ａに接着剤などにより固定されている。そして、ＬＥＤ１１は、ワイヤ１５で一対のリード１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されている。

静電気保護素子１も、リードフレーム１３に実装されている。具体的には、静電気保護素子１は、他方のリード１３ｂと導体部７とが対向するように他方のリード１３ｂ上に載置されており、導体部７と他方のリード１３ｂとが導電ペースト１７により接続され、固定されている。一方のリード１３ａと導体部５（第２導体層５ｂ）とは、ワイヤ１９で接続されている。したがって、図３に示された実装構造では、一対のリード１３ａ，１３ｂの間において、静電気保護素子１（バリスタ部３）がＬＥＤ１１に並列に接続されることとなる。

以上のように、本実施形態では、バリスタ部３がバリスタ特性を発現するので、ＬＥＤ１１をＥＳＤから保護することができる。

本実施形態では、導体部７が、ＺｎＯを主成分とする焼結体からなる。ＺｎＯは、電子のバンド間遷移による光吸収波長が紫外線領域となり、可視光を透過する性質を有する。このため、静電気保護素子１がＬＥＤ１１と共にリードフレーム１３に実装された場合でも、少なくとも一つの導体部７はＬＥＤ１１から発せられる光を吸収し難く、透過させる。

ＺｎＯを主成分とする焼結体では、当該焼結体に入射した光は、ＺｎＯの結晶粒の粒界で散乱される。本実施形態では、導体部７を構成する焼結体は、Ｃｏを実質的に含有しないことから、導体部７では、バリスタ部３に比して、ＺｎＯの粒成長が促進され、ＺｎＯの結晶粒が大きくなる。このため、導体部７では、ＺｎＯの結晶粒の粒界が少なくなり、粒界での散乱が抑制される。ところで、バリスタ部３に含有されるＣｏは、ＺｎＯの結晶粒内に固溶されて存在している。このように、ＣｏはＺｎＯの結晶粒に固溶されるため、第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとを積層した状態で同時に焼成した場合でも、第１のグリーンシートに含有されたＣｏは、第２のグリーンシートに拡散し難い。

これらの結果、本実施形態によれば、静電気保護素子１がＬＥＤ１１と共にリードフレーム１３に実装された場合でも、ＬＥＤ１１の発光効率が低下するのを抑制することができる。導体部７を構成する焼結体は、Ｃｏを実質的に含有しないため、バリスタ特性が発現し難く、電気抵抗が低い。したがって、導体部７において、電極としての機能が阻害されることはない。

本実施形態では、導体部５が、金属からなる。これにより、導体部５へのワイヤボンデングが可能となる。

本実施形態では、導体部７の厚みが、バリスタ部３の厚みよりも大きく設定されている。これにより、導体部７をリードフレーム１３（リード１３ｂ）に導電ペースト１７を用いて接続する際に、バリスタ部３がリードフレーム１３から物理的に離されることとなる。このため、導電ペースト１７がバリスタ部３に付着し難くなり、導電ペースト１７の付着によりバリスタ部３の機能が阻害されるのを防ぐことができる。この結果、ＬＥＤ１１をＥＳＤから確実に保護することができる。

本実施形態では、第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとが主成分をＺｎＯであるため、シート積層体を焼成した際に、第１のグリーンシートからなる層の焼結体と第２のグリーンシートからなる層の焼結体とが剥がれてしまうことはなく、良好な焼結体基板を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、導体部５は、金属からなっているが、導体部７と同じく、ＺｎＯを主成分として含むと共に副成分としてＣｏを実質的に含有しない焼結体からなっていてもよい。この場合には、ＬＥＤ１１の発光効率が低下するのをより一層抑制することができる。

本実施形態では、導体部５は、金属からなっているが、導体部７と同じく、ＺｎＯを主成分として含むと共に副成分としてＣｏを実質的に含有しない焼結体からなっていてもよい。この場合には、ＬＥＤ１１の発光効率が低下するのをより一層抑制することができる。

本実施形態では、導体部５は、第１導体層５ａと第２導体層５ｂとの二層構造とされているが、これに限られない。導体部５は、金属からなる層の一層構造であってもよく、また、三層以上の層構造体であってもよい。

上述した静電気保護素子１の実装構造では、静電気保護素子１とＬＥＤ１１とをリードフレーム１３に実装しているが、これに限られない。静電気保護素子１とＬＥＤ１１とを基板に実装してもよく、また、他の電子部品に実装してもよい。

１…静電気保護素子、３…バリスタ部、５，７…導体部、１３…リードフレーム。

Claims (1)

1. 一対のリードを有するリードフレームと、
   前記リードフレームに実装された発光ダイオードと、
   前記リードフレームに実装された静電気保護素子と、を備え、
   前記発光ダイオードは、前記一方のリードに載置され、前記一対のリードにワイヤでそれぞれ接続され、
   前記静電気保護素子は、
   ＺｎＯを主成分とすると共に副成分としてＣｏを含有する焼結体からなるバリスタ部と、
   前記バリスタ部を挟んで配置された第一及び第二の導体部と、を備えており、
   前記第一の導体部が、ＺｎＯを主成分とすると共に副成分としてＣｏを実質的に含有しない焼結体からなり、
   前記第二の導体部が、金属からなり、
   前記第一の導体部と前記他方のリードとが対向するように前記他方のリードに載置され、前記第一の導体部と前記他方のリードとが直接接続されると共に、前記第二の導体部と前記一方のリードとがワイヤで接続されており、
   前記バリスタ部が前記発光ダイオードに並列に接続され、
   前記第一の導体部と前記他方のリードとが、導電ペーストにより接続されており、
   前記第一の導体部の厚みが、前記バリスタ部の厚みよりも大きく設定されていることを特徴とする静電気保護素子の実装構造。

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