JP5760894B2 - 静電気保護素子 - Google Patents

Description

本発明は、静電気保護素子に関する。

静電気保護素子として、セラミック基材の上面の両端部に設けられた引出電極と、引出電極の一部と引出電極間のギャップを覆うように設けられた過電圧保護材料層と、過電圧保護材料層を覆うように設けられた保護層と、を備えているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。素体と、素体の内部に埋設した空洞部と、空洞部を介し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と、放電用電極とそれぞれ接続し素体の端面に形成した一対の端面電極と、を備えている静電気保護素子も知られている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−１１７７３５号公報 特開２００９−２１２０３７号公報

静電気保護素子は、ＩＣなどの半導体デバイスを静電気放電（ＥＳＤ：Electrostatic Discharge）から保護するために用いられる。半導体デバイスの中には、低耐圧の半導体デバイスが存在しており、この低耐圧の半導体デバイスを静電気放電から保護するためには、静電気保護素子は、比較的低い電圧で放電する、すなわち放電開始電圧が低い必要がある。

特許文献１に記載された静電気保護素子では、対向する引出電極間の過電圧保護材料層中に散在する導電粒子間で放電が生じるため、放電距離が短い。これにより、特許文献１に記載された静電気保護素子は、放電開始電圧が低い。しかしながら、特許文献１に記載された静電気保護素子では、引出電極は、その先端部同士が対向するように配置されていることから、引出電極の先端部に電界が集中し、放電による引出電極の損傷や変形が起こり易い。このため、静電気保護素子を繰り返し使用していると、引出電極の損傷や変形により放電開始電圧が変化し、信頼性が低下してしまう。

特許文献１に記載された静電気保護素子では、引出電極同士が同じセラミック基材上に位置している。このため、たとえば多湿環境下で使用された場合、イオンマイグレーションが生じ、対向する引出電極が短絡する懼れがある。

特許文献２に記載された静電気保護素子では、放電が、一対の放電用電極間の空洞部にて生じる気中放電であり、放電開始電圧が比較的高い。このため、放電開始電圧を低くするためには、一対の放電用電極の間隔を狭く設定する必要がある。しかしながら、一対の放電用電極の間隔が狭い場合、放電用電極同士が接触するなどして、一対の放電用電極が短絡する懼れがあることから、一対の放電用電極の間隔を狭くすることは容易ではない。

本発明は、放電開始電圧を容易に低く設定することと、信頼性が低下するのを抑制することとが可能な静電気保護素子を提供することを目的とする。

本発明に係る静電気保護素子は、素体と、両端部が素体の表面に露出するように素体内に配置された内部回路要素と、内部回路要素の両端部に対応するように素体に対してそれぞれ配置された第一及び第二端子電極と、少なくとも内部回路要素の一方の端部を覆うように素体に配置された絶縁膜と、を備えており、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極とが、絶縁膜を介して対向していることを特徴とする。

本発明に係る静電気保護素子では、放電は、互いに対向する内部回路要素の一方の端部と第一端子電極との間で生じる。内部回路要素の一方の端部と第一端子電極との間隔は、絶縁膜の厚みにより規定される。したがって、絶縁膜の厚みを薄く設定することにより、放電開始電圧を容易に低くすることができる。

本発明では、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極とが対向している。このため、電極の先端部同士が対向する構成に比して、電界が集中し難く、内部回路要素の一方の端部や第一端子電極に、放電による損傷や変形が起こり難い。したがって、静電気保護素子を繰り返し使用した場合でも、放電開始電圧が変化し難く、信頼性が低下するのを抑制できる。

本発明では、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極とが絶縁膜で隔てられている。このため、多湿環境下で使用された場合でも、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極との間でイオンマイグレーションが生じることはない。したがって、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極とが短絡することはない。

素体は、焼成によって得られた素体であり、絶縁膜は、焼成された素体の表面に形成されていてもよい。この場合、素体と絶縁膜とを同時焼成により得るものに比して、焼成による素体の変形や素体に含まれる成分の絶縁膜への拡散などの影響を受けずに、絶縁膜を安定且つ容易に形成することができる。また、絶縁膜の材料選定が容易となる。

素体は、表面として、互いに対向する第一及び第二端面を含み、内部回路要素は、第一及び第二端面の対向方向に延びて、一方の端部が第一端面に露出しており、絶縁膜が、第一端面に形成されていてもよい。この場合、絶縁膜が第一端面に形成されるので、絶縁膜の厚みが安定且つ容易に規定されることとなる。したがって、放電開始電圧を容易に低くすることができると共に、信頼性の低下をより一層抑制できる。

内部回路要素の他方の端部と第二端子電極とが接続されていてもよい。この場合、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極との間で放電が生じることとなる。

絶縁膜は、内部回路要素の他方の端部を更に覆うように素体に配置されており、内部回路要素の他方の端部と第二端子電極とが、絶縁膜を介して対向していてもよい。この場合、内部回路要素の一方の端部と第一端子電極との間又は内部回路要素の他方の端部と第二端子電極との間で放電が生じることとなる。

素体は、表面として、互いに対向する第一及び第二端面を含み、内部回路要素は、第一及び第二端面の対向方向に延びて、一方の端部が第一端面に露出すると共に他方の端部が第二端面に露出しており、絶縁膜が、第一端面と第二端面とに形成されていてもよい。この場合、絶縁膜が第一端面と第二端面とに形成されるので、絶縁膜の厚みが安定且つ容易に規定されることとなる。したがって、放電開始電圧を容易に低くすることができると共に、信頼性の低下をより一層抑制できる。

内部回路要素が、第一及び第二端面の対向方向に連続した導体であってもよい。

本発明によれば、放電開始電圧を容易に低く設定することと、信頼性が低下するのを抑制することとが可能な静電気保護素子を提供することができる。

第１実施形態に係る静電気保護素子を示す斜視図である。 第１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。 第１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。 第２実施形態に係る静電気保護素子を示す斜視図である。 第２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。 第２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。

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。

（第１実施形態）
まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態に係る静電気保護素子ＥＰ１の構成を説明する。図１は、第１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及び図３は、第１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ＥＰ１は、図１〜図３に示されるように、略直方体形状の素体３と、内部回路要素５と、第一端子電極７と、第二端子電極９と、絶縁膜１１と、を備えている。素体３は、表面として、互いに対向し且つ矩形形状の端面３ａ，３ｂと、端面３ａ，３ｂに直交する４つの側面３ｃ〜３ｆとを有している。４つの側面３ｃ〜３ｆは、端面３ａと端面３ｂとの間を連結するように伸びている。

素体３は、電圧非直線特性（以下、「バリスタ特性」と称する）を有する複数のバリスタ層が積層された積層体として構成されている。実際の静電気保護素子ＥＰ１（素体３）では、複数のバリスタ層は、互いの境界が視認できない程度に一体化されている。素体３は、半導体セラミックにて構成されるセラミック層が複数積層されて構成されたセラミック素体である。素体３は、半導体セラミックを含むセラミックグリーンシートを積層し、焼成することにより得られる。焼成により、セラミックグリーンシートは上記セラミック層となる。

セラミック層であるバリスタ層（素体）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）など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、バリスタ層は、副成分としてＣｏ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｋ、Ｓｉ、及びＡｌを含んでいる。

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。希土類金属元素（たとえば、Ｐｒなど）も、バリスタ特性を発現させるための材料となる。バリスタ層（素体）におけるＺｎＯの含有量は、特に限定されないが、バリスタ層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。

内部回路要素５は、素体３内に配置されている。内部回路要素５は、一対の端面３ａ，３ｂの対向方向に連続した導体であり、帯状を呈している。内部回路要素５の一端部５ａは、端面３ａに露出している。内部回路要素５の他端部５ｂは、端面３ｂに露出している。内部回路要素５は、積層型の電気素子の内部電極として通常用いられる導電性材料（たとえば、ＡｇやＡｇ−Ｐｄ合金など）からなる。内部回路要素５は、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。

内部回路要素５は、複数の導体からなってもよい。たとえば、複数の導体は、素体３（バリスタ層）の一部の領域をバリスタ層の積層方向で挟むように配置されていてもよい。この場合、一方の導体の一端部が端面３ａに露出し、他方の導体の他端部が端面３ｂに露出することとなる。

第一端子電極７は、内部回路要素５の一端部５ａに対応するように素体３に対して配置されている。すなわち、第一端子電極７は、素体３の端面３ａ側に位置している。第一端子電極７は、後述する絶縁膜１１の全体と、側面３ｃ〜３ｆにおける端面３ａ寄りの一部と、を覆うように形成されている。

第一端子電極７は、金属粉末（たとえば、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、又はＣｕなど）と熱硬化性樹脂とを含有する組成物を素体３の対応する表面及び絶縁膜１１に付与して硬化させることにより形成されている。すなわち、第一端子電極７は、金属粉末を導電性材料として含有している。必要に応じて、第一端子電極７の上にめっき層が形成されることもある。

第二端子電極９は、内部回路要素５の他端部５ｂに対応するように素体３に対して配置されている。すなわち、第二端子電極９は、素体３の端面３ｂ側に位置している。第二端子電極９は、端面３ｂの全体と、側面３ｃ〜３ｆにおける端面３ｂ寄りの一部と、を覆うように形成されている。内部回路要素５は、素体３の端面３ｂに露出した他端部５ｂにおいて、第二端子電極９と直接的に接続されている。

第二端子電極９は、導電性ペーストを素体３の対応する表面に付与して焼き付けることにより形成されている。導電性ペーストには、金属（Ａｇ粉末又はＡｇ−Ｐｄ合金粉末など）に、ガラス成分、有機バインダ、及び有機溶剤を混合したものが用いられている。必要に応じて、第二端子電極９の上にめっき層が形成されることもある。

絶縁膜１１は、内部回路要素５の一端部５ａを覆うように、素体３の端面３ａに配置されている。本実施形態では、絶縁膜１１は、端面３ａの全体を覆っている。絶縁膜１１は、ガラスからなる。絶縁膜１１は、必ずしも端面３ａの全体を覆っている必要はなく、少なくとも内部回路要素５の一端部５ａを覆っていればよい。絶縁膜１１は、たとえば、スパッタリング法又はＣＶＤ法などにより、素体３の対応する表面に形成することができる。絶縁膜１１は、たとえばホウケイ酸ガラス又は石英系ガラスなどからなる。

内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７とが、絶縁膜１１を介して対向している。これにより、内部回路要素５は、素体３の端面３ａに露出した一端部５ａにおいて、第一端子電極７と直接的に接続されることはない。

以上のように、第１実施形態の静電気保護素子ＥＰ１では、内部回路要素５の他端部５ｂと第二端子電極９とが接続されている。したがって、放電は、互いに対向する内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７との間で生じることとなる。内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７との間隔は、絶縁膜１１の厚みにより規定される。したがって、絶縁膜１１の厚みを薄く設定することにより、静電気保護素子ＥＰ１の放電開始電圧を容易に低くすることができる。

静電気保護素子ＥＰ１では、内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７とが対向している。すなわち、内部回路要素５の一端部５ａに対して、第一端子電極７が面として対向する。このため、静電気保護素子ＥＰ１では、電極の先端部同士が対向する構成に比して、電界が集中し難く、内部回路要素５の一端部５ａや第一端子電極７に、放電による損傷や変形が起こり難い。したがって、静電気保護素子ＥＰ１を繰り返し使用した場合でも、放電開始電圧が変化し難く、信頼性が低下するのを抑制できる。

静電気保護素子ＥＰ１では、内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７とが絶縁膜１１で隔てられている。このため、多湿環境下で使用された場合でも、内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７との間でイオンマイグレーションが生じることはない。したがって、内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７とが短絡することはない。

素体３は、焼成によって得られた素体であり、絶縁膜１１は、焼成された素体３の端面３ａに形成されている。これにより、素体３と絶縁膜１１とを同時焼成により得るものに比して、焼成による素体３の変形や素体３に含まれる成分の絶縁膜１１への拡散などの影響を受けずに、絶縁膜１１を安定且つ容易に形成することができる。また、絶縁膜１１の材料選定が容易となる。

絶縁膜１１の材料としては、上述したガラス以外に、金属酸化物（たとえば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、又はＺｒＯ_２など）、ＡｌＮ、又は樹脂材料（たとえば、パラキシリレン樹脂など）が挙げられる。絶縁膜１１がガラス又は金属酸化物からなる場合、絶縁膜１１が樹脂材料からなる場合に比して、湿度などの環境による影響を受け難く、放電が安定する。

絶縁膜１１が金属酸化物からなる場合は、たとえば、パッタリング法やＣＶＤ法などにより、絶縁膜１１を形成することができる。絶縁膜１１が樹脂からなる場合は、たとえば、パリレンコーティングにより絶縁膜１１を形成することができる。絶縁膜１１が金属酸化物からなる場合は、第一端子電極７は、第二端子電極９と同様に、導電性ペーストを素体３の対応する表面に付与して焼き付けることにより形成することかできる。

素体３は、表面として、互いに対向する一対の端面３ａ，３ｂを含み、内部回路要素５は、一対の端面３ａ，３ｂの対向方向に延びて、一端部５ａが端面３ａに露出しており、絶縁膜１１が、端面３ａに形成されている。絶縁膜１１が端面３ａに形成されるので、絶縁膜１１の厚みが安定且つ容易に規定されることとなる。したがって、静電気保護素子ＥＰ１の放電開始電圧を容易に低くすることができると共に、信頼性の低下をより一層抑制できる。

（第２実施形態）
次に、図４〜図６を参照して、第２実施形態に係る静電気保護素子ＥＰ２の構成を説明する。図４は、第２実施形態に係る静電気保護素子を示す斜視図である。図５及び図６は、第２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ＥＰ２は、図４〜図６に示されるように、略直方体形状の素体３と、内部回路要素５と、第一端子電極７と、第二端子電極９と、絶縁膜１１と、を備えている。静電気保護素子ＥＰ２は、絶縁膜１１が端面３ｂにも配置されている点で静電気保護素子ＥＰ１と相違している。

絶縁膜１１は、内部回路要素５の他端部５ｂを更に覆うように、素体３の端面３ｂにも配置されている。本実施形態では、絶縁膜１１は、端面３ｂの全体を覆っている。絶縁膜１１は、必ずしも端面３ｂの全体を覆っている必要はなく、少なくとも内部回路要素５の他端部５ｂを覆っていればよい。また、絶縁膜１１は、素体３の全面を覆っていてもよい。すなわち、絶縁層１１は、４つの側面３ｃ〜３ｆを更に覆っている場合、湿度、めっき液、又はフラックスの素体３及び内部回路要素５への影響を抑制できる。絶縁膜１１は、第１実施形態にて述べたように形成することができる。

内部回路要素５の他端部５ｂと第二端子電極９とが、絶縁膜１１を介して対向している。これにより、内部回路要素５は、素体３の端面３ａに露出した他端部５ｂにおいて、第二端子電極９と直接的に接続されることはない。静電気保護素子ＥＰ２では、第一端子電極７だけでなく、第二端子電極９も、金属粉末と熱硬化性樹脂とを含有する上記組成物を素体３の対応する表面及び絶縁膜１１に付与して硬化させることにより形成されている。

以上のように、第２実施形態の静電気保護素子ＥＰ２では、放電は、互いに対向する内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７との間、又は、互いに対向する内部回路要素５の他端部５ｂと第二端子電極９との間で生じることとなる。内部回路要素５の一端部５ａと第一端子電極７との間隔、及び、内部回路要素５の他端部５ｂと第二端子電極９との間隔は、絶縁膜１１の厚みにより規定される。したがって、絶縁膜１１の厚みを薄く設定することにより、静電気保護素子ＥＰ２の放電開始電圧を容易に低くすることができる。

静電気保護素子ＥＰ２では、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂと対応する端子電極７，９とが対向している。すなわち、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂ対して、対応する端子電極７，９が面として対向する。このため、静電気保護素子ＥＰ２では、第１実施形態でも述べたように、電界が集中し難く、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂや第一及び第二端子電極７，９に、放電による損傷や変形が起こり難い。したがって、静電気保護素子ＥＰ２を繰り返し使用した場合でも、放電開始電圧が変化し難く、信頼性が低下するのを抑制できる。

静電気保護素子ＥＰ２では、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂと対応する端子電極７，９とが絶縁膜１１で隔てられている。このため、多湿環境下で使用された場合でも、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂと対応する端子電極７，９との間でイオンマイグレーションが生じることはない。したがって、内部回路要素５の各端部５ａ，５ｂと対応する端子電極７，９とが短絡することはない。

静電気保護素子ＥＰ２でも、絶縁膜１１は、焼成された素体３の端面３ａ，３ｂに形成されている。これにより、素体３と絶縁膜１１とを同時焼成により得るものに比して、焼成による素体３の変形や素体３に含まれる成分の絶縁膜１１への拡散などの影響を受けずに、絶縁膜１１を安定且つ容易に形成することができる。また、絶縁膜１１の材料選定が容易となる。

内部回路要素５は、一端部５ａが端面３ａに露出すると共に他端部５ｂが端面３ｂに露出しており、絶縁膜１１が、端面３ａと端面３ｂとに形成されている。絶縁膜１１が端面３ａと端面３ｂとに形成されるので、絶縁膜１１の厚みが安定且つ容易に規定されることとなる。したがって、静電気保護素子ＥＰ２の放電開始電圧を容易に低くすることができると共に、信頼性の低下をより一層抑制できる。

内部回路要素５は、第１実施形態と同じく、複数の導体からなってもよい。

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。

素体３は、半導体セラミックに限られることなく、誘電体セラミック（たとえは、ＢａＴｉＯ_３系、Ｂａ(Ｔｉ，Ｚｒ)Ｏ_３系、又は（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３系など）、フェライト（たとえば、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ系フェライト、Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト、又はＮｉ−Ｃｕ系フェライトなど）、又はガラス系セラミック（たとえば、ガラス成分とアルミナとからなるガラス系セラミックなど）などからなっていてもよい。

内部回路要素５の形状は、帯状に限られることなく、他の形状（たとえば、柱状など）であってもよい。

３…素体、３ａ，３ｂ…端面、５…内部回路要素、５ａ…一端部、５ｂ…他端部、７…第一端子電極、９…第二端子電極、１１…絶縁膜、ＥＰ１，ＥＰ２…静電気保護素子。

Claims (7)

1. 素体と、
   両端部が前記素体の表面に露出するように前記素体内に配置された内部回路要素と、
   前記内部回路要素の前記両端部に対応するように前記素体に対してそれぞれ配置された第一及び第二端子電極と、
   少なくとも前記内部回路要素の一方の端部を覆うように前記素体に配置された絶縁膜と、を備えており、
   前記第一端子電極は、前記絶縁膜を覆うように形成され、
   前記内部回路要素の前記一方の端部と前記第一端子電極とが、前記絶縁膜を介して対向し、前記絶縁膜に覆われている前記一方の端部と前記絶縁膜を覆っている前記第一端子電極とが、前記絶縁膜で隔てられていることを特徴とする静電気保護素子。
2. 前記素体は、焼成によって得られた素体であり、
   前記絶縁膜は、焼成された前記素体の前記表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電気保護素子。
3. 前記素体は、前記表面として、互いに対向する第一及び第二端面を含み、
   前記内部回路要素は、前記第一及び第二端面の対向方向に延びて、前記一方の端部が前記第一端面に露出しており、
   前記絶縁膜が、前記第一端面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電気保護素子。
4. 前記内部回路要素の他方の端部と前記第二端子電極とが接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電気保護素子。
5. 前記絶縁膜は、前記内部回路要素の他方の端部を更に覆うように前記素体に配置されており、
   前記第二端子電極は、前記内部回路要素の前記他方の端部を覆うように前記素体に配置されている前記絶縁膜を覆うように形成され、
   前記内部回路要素の前記他方の端部と前記第二端子電極とが、前記絶縁膜を介して対向し、前記絶縁膜に覆われている前記他方の端部と前記絶縁膜を覆っている前記第二端子電極とが、前記絶縁膜で隔てられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電気保護素子。
6. 前記素体は、前記表面として、互いに対向する第一及び第二端面を含み、
   前記内部回路要素は、前記第一及び第二端面の対向方向に延びて、前記一方の端部が前記第一端面に露出すると共に前記他方の端部が前記第二端面に露出しており、
   前記絶縁膜が、前記第一端面と前記第二端面とに形成されていることを特徴とする請求項５に記載の静電気保護素子。
7. 前記内部回路要素が、前記第一及び第二端面の対向方向に連続した導体であることを特徴とする請求項３又は６に記載の静電気保護素子。

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