JP5796677B2 - Esd保護装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ESD保護装置に関する。
従来、静電気放電(ESD:electro−static discharge)による電子機器の破壊を抑制するためのESD保護装置が種々提案されている。例えば特許文献1には、セラミック多層基板と、セラミック多層基板内に配されており、セラミック多層基板に設けられた空洞部において間隔をおいて先端同士が対向するように配された一対の放電電極とを備えるESD保護装置が記載されている。
WO2008/146514 A1号公報
ESD保護装置は、放電時に生じる熱により劣化する。これに鑑み、ESD保護装置の放熱性を改善したいという要望がある。
本発明は、優れた放熱性を有するESD保護装置を提供することを主な目的とする。
本発明に係るESD保護装置は、絶縁材と、第1及び第2の放電電極と、第1の外部電極と、第2の外部電極と、内部導体とを備える。第1及び第2の放電電極は、絶縁材中に設けられている。第1の外部電極は、絶縁材の外表面上に設けられている。第1の外部電極は、第1の放電電極に電気的に接続されている。第2の外部電極は、絶縁材の外表面上に設けられている。第2の外部電極は、第2の放電電極に電気的に接続されている。内部導体は、絶縁材中に設けられている。内部導体は、第1または第2の外部電極に接続されている。
本発明に係るESD保護装置のある特定の局面では、第1の放電電極と第2の放電電極とは、互いに対向するように設けられている。内部導体は、平面視において第1及び第2の放電電極の対向部と重なるように設けられている。
本発明に係るESD保護装置の別の特定の局面では、絶縁材は、空洞を有する。第1の放電電極の先端部と第2の放電電極の先端部とのそれぞれが空洞内に位置している。
本発明に係るESD保護装置の他の特定局面では、ESD保護装置は、内部導体として、第1の放電電極に接続された内部導体と、第2の放電電極に接続された内部導体とを備える。第1の放電電極に接続された内部導体の先端部と、第2の放電電極に接続された内部導体の先端部とが対向するように内部導体が配置されている。
本発明に係るESD保護装置の他の特定の局面では、内部導体は、平面視において空洞と重なるように設けられている。
本発明に係るESD保護装置のさらに他の特定の局面では、内部導体が絶縁材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられている。
本発明に係るESD保護装置のさらに別の特定の局面では、絶縁材は、第1及び第2の主面と、第1及び第2の側面と、第1及び第2の端面とを有する。第1の外部電極は、第1の端面の上に設けられた第1の部分と、第1及び第2の主面の少なくとも一方の上に設けられた第2の部分とを有する。第2の外部電極は、第2の端面の上に設けられた第3の部分と、第1及び第2の主面の少なくとも一方の上に設けられた第4の部分とを有する。
本発明に係るESD保護装置のまた他の特定の局面では、内部導体は、第1の部分に接続された第1の内部導体と、第3の部分に接続された第2の内部導体とを含む。
本発明に係るESD保護装置のまた別の特定の局面では、前記絶縁材は、空洞を有し、前記第1の放電電極の先端部と前記第2の放電電極の先端部とのそれぞれが前記空洞内に位置しており、第2及び第4の部分の少なくとも一方が、平面視において空洞と重なるように設けられている。
本発明に係るESD保護装置のさらにまた他の特定の局面では、ESD保護装置は、放電補助電極をさらに備える。放電補助電極は、第1の放電電極の先端部と第2の放電電極の先端部との間に配されている。放電補助電極は、第1の放電電極と第2の放電電極との間の放電開始電圧を低下させる。ESD保護装置は、保護層をさらに備える。保護層は、絶縁材と、第1及び第2の放電電極の少なくとも一方の先端部との間に配されている。
本発明に係るESD保護装置のさらにまた別の特定の局面では、保護層が、アルミナ、ムライト、ジルコニア、マグネシア及び石英からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む。
本発明に係るESD保護装置のさらにまた他の特定の局面では、前記内部導体として、前記第1の放電電極に接続された第1の内部導体と、前記第2の放電電極に接続された第2の内部導体とを備え、前記第1の内部導体と前記第2の内部導体は、前記絶縁材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて設けられ、前記第1の内部導体と前記第2の内部導体とは、前記絶縁材の厚み方向に沿って平面視したときに、重なっていない。
本発明に係るESD保護装置のさらにまた別の特定の局面では、前記内部導体として、前記第1の放電電極に接続された第1の内部導体と、前記第2の放電電極に接続された第2の内部導体とを備え、前記絶縁材は、空洞を有し、前記第1、第2の内部導体は、前記空洞に面していない。
本発明によれば、優れた放熱性を有するESD保護装置を提供することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るESD保護装置の略図的断面図である。 図2は、本発明の一実施形態に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図3は、第1の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図4は、第2の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図5は、第3の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図6は、第4の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図7は、第5の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図8は、第6の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図9は、第7の変形例に係るESD保護装置の略図的断面図である。 図10は、第8の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図11は、第9の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図12は、第10の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。 図13は、第11の変形例に係るESD保護装置の略図的平面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図1は、本実施形態に係るESD保護装置の略図的断面図である。図2は、本実施形態に係るESD保護装置の略図的平面図である。
図1及び図2に示されるように、ESD保護装置1は、空洞11を有する絶縁材10を有する。絶縁材10は、六面体である。ここで、「六面体」とは、6つの面を有する立体全般を意味する。六面体を構成する6つの面は、それぞれ、非平面であってもよい。六面体を構成する面のうち、対向する面は、互いに平行であってもよいし、非平行であってもよい。六面体の角部及び稜線部は、それぞれ、面取り状であってもよいし、丸められた形状を有していてもよい。本実施形態では、具体的には、絶縁材10は、略直方体状に設けられている。絶縁材10は、互いに平行な第1及び第2の主面10a、10bと、互いに平行な第1及び第2の側面10c、10dと、互いに平行な第1及び第2の端面10e、10fとを有する。
絶縁材10は、適宜のセラミックスにより構成することができる。具体的には、絶縁材10は、例えば、Ba、Al、Siを主成分として含む低温同時焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co−fired Ceramics)により構成することができる。なお、絶縁材10として、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などを含む樹脂基板を用いてもよい。
絶縁材10の内部には、第1及び第2の放電電極21,22が設けられている。第1及び第2の放電電極21,22は、それぞれ、第1及び第2の主面10a、10bと平行に設けられている。第1の放電電極21は、第1の端面10eに引き出されている。一方、第2の放電電極22は、第2の端面10fに引き出されている。第1の放電電極21の先端部と、第2の放電電極22の先端部とは、空洞11内に位置している。第1の放電電極21の先端部と、第2の放電電極22の先端部とは、空洞11内において対向している。このような構成とすることにより、ESD保護装置1の応答性を向上すると共に、ESD保護装置1の耐久性を向上することができる。
絶縁材10の外表面の上には、第1及び第2の外部電極31,32が設けられている。具体的には、第1の外部電極31は、第1の端面10eの上に設けられた第1の部分31aと、第1及び第2の主面10a、10bの少なくとも一方の上に設けられた第2の部分31b1,31b2とを有する。もっとも、第1の外部電極は、第1の端面の上のみに設けられていてもよい。第1の外部電極31は、第1の部分31aにおいて第1の放電電極21と電気的に接続されている。
第2の外部電極32は、第2の端面10fの上に設けられた第3の部分32aと、第1及び第2の主面10a、10bの少なくとも一方の上に設けられた第4の部分32b1,32b2とを有する。もっとも、第2の外部電極は、第2の端面の上にのみ設けられていてもよい。第2の外部電極32は、第3の部分32aにおいて第2の放電電極22と電気的に接続されている。
空洞11の内面上において、第1の放電電極21の先端部と第2の放電電極22の先端部との間には、放電補助電極51が配されている。もっとも、放電補助電極は、第1の放電電極の先端部と第2の放電電極の先端部との間に加えて、第1及び第2の放電電極と絶縁材10との間にも設けられていてもよい。
放電補助電極51は、放電開始電圧を低下させる機能を有する。具体的には、放電補助電極51を設けることにより、沿面放電と気中放電とに加えて、放電補助電極51を経由した放電も生じる。通常、沿面放電と気中放電と放電補助電極51を経由した放電とでは、放電補助電極51を経由した放電の開始電圧が最も低い。従って、放電補助電極51を設けることにより、放電開始電圧を低下させることができる。よって、ESD保護装置1の絶縁破壊を抑制することができる。また、放電補助電極51を設けることによりESD保護装置1の応答性を改善することができる。
放電補助電極51は、例えば、導電性を有しない無機材料により表面がコーティングされた複数の金属粒子51aと、複数の半導体セラミック粒子51bとが分散した粒子分散体によって構成することができる。この場合、放電補助電極51は、例えば、導電性を有しない無機材料により表面がコーティングされた複数の金属粒子51aと、複数の半導体セラミック粒子51bを含むペーストを塗布し、焼成することにより形成することができる。
金属粒子51aは、例えば、CuやNiなどにより構成することができる。金属粒子51aの直径は、例えば2μm〜3μm程度とすることができる。金属粒子51aのコーティング膜は、例えば、酸化アルミニウム等により構成することができる。
半導体セラミック粒子51bは、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化モリブデンもしくは炭化タングステン等の炭化物、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化クロム、窒化バナジウムもしくは窒化タンタル等の窒化物、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、ケイ化クロム等のケイ化物、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化クロム、ホウ化ランタン、ホウ化モリブデン、ホウ化タングステンなどのホウ化物、酸化亜鉛、チタン酸ストロンチウム等の酸化物などにより構成することができる。
放電補助電極51は、金属粒子51a及び半導体セラミック粒子51bに加え、酸化アルミニウムなどからなる絶縁性粒子をさらに含んでいてもよい。
絶縁材10と第1及び第2の放電電極21,22の少なくとも一方の先端部との間には、保護層52が設けられている。具体的には、保護層52は、空洞11の内壁の実質的に全体を覆うように設けられている。この保護層52を設けることにより絶縁材10に含まれる成分が先端部に達することを抑制することができる。よって、ESD保護装置1の第1及び第2の放電電極21,22の劣化に起因する放電特性の低下を抑制することができる。
保護層52は、絶縁材10を構成しているセラミックスよりも焼結温度が高いセラミックスにより構成されていることが好ましい。保護層52は、例えば、アルミナ、ムライト、ジルコニア、マグネシア及び石英からなる群から選ばれた少なくとも一種を含んでいることが好ましい。絶縁材10中には、第1及び第2の内部導体41,42が設けられている。第1の内部導体41の先端部と第2の内部導体42の先端部とは、対向している。第1の内部導体41の先端部と第2の内部導体42の先端部が対向することにより、発生した熱を第1の外部電極と第2の外部電極とにバランスよく放熱させることができる。従って、より効率的に熱を発散させることができる。第1の内部導体41の先端部と第2の内部導体42の先端部との間の距離L2は、第1の放電電極21の先端部と第2の放電電極22の先端部との間の距離L1よりも大きい。L2は、L1の2倍以上であることが好ましく、3倍以上であることがより好ましい。L2が小さすぎると、内部導体41,42間で放電が発生してしまうためである。
第1の内部導体41は、第1の端面10eに引き出されている。第1の内部導体41は、第1の外部電極31の第1の部分31aに接続されている。第1の内部導体41は、空洞11の厚み方向の一方側に位置する第1の内部導体41aと、空洞11の厚み方向の他方側に位置する第1の内部導体41bとを含む。すなわち、空洞11の厚み方向の両側に第1の内部導体41a、41bが設けられている。第1の内部導体41a、41bは、それぞれ、厚み方向に相互に間隔をおいて複数設けられていてもよい。
第2の内部導体42は、第2の端面10fに引き出されている。第2の内部導体42は、第2の外部電極32の第3の部分32aに接続されている。第2の内部導体42は、空洞11の厚み方向の一方側に位置する第2の内部導体42aと、空洞11の厚み方向の他方側に位置する第2の内部導体42bとを含む。すなわち、空洞11の厚み方向の両側に第2の内部導体42a、42bが設けられている。第2の内部導体42a、42bは、それぞれ、厚み方向に相互に間隔をおいて複数設けられていてもよい。
第1及び第2の内部導体41,42の少なくとも一方は、平面視した際に(厚み方向から視た際に)空洞11と重なるように設けられている。同様に、第2の部分31b1,31b2及び第4の部分32b1,32b2も、それぞれ、平面視した際に空洞11と重なるように設けられている。
なお、第1及び第2の放電電極21,22、第1及び第2の外部電極31,32並びに第1及び第2の内部導体41,42は、それぞれ、例えば、Cu,Ag、Pd,Pt,Al,Ni及びWの少なくとも一種を含む金属(合金を含む)などにより構成することができる。第1及び第2の放電電極21,22、第1及び第2の外部電極31,32並びに第1及び第2の内部導体41,42は、同じ材料により構成されていることが好ましい。
以上説明したように、本実施形態では、絶縁材10よりも熱伝導率が高い第1及び第2の内部導体41,42が設けられている。このため、絶縁材10の熱は、第1及び第2の内部導体41,42及び第1及び第2の外部電極31,32を経由して放熱されやすい。従って、改善された放熱性を有するESD保護装置1を実現することができる。
特に、本実施形態では、第1及び第2の内部導体41,42の少なくとも一方は、平面視した際に空洞11と重なるように設けられている。このため、発熱しやすい空洞11が設けられた部分の熱を効率的に発散させることができる。
さらに、第1及び第2の外部電極31,32に第2,第4の部分31b1,31b2,32b1,32b2を設けることにより、第1及び第2の外部電極31,32の表面積を大きくすることができる。従って、熱をさらに効率的に発散させることができる。
特に、本実施形態では、第2,第4の部分31b1,31b2,32b1,32b2が、平面視した際に空洞11と重なるように設けられている。このため、発熱しやすい空洞11が設けられた部分の熱をさらに効率的に発散させることができる。
また、内部導体41,42を設けることにより、焼成によりESD保護装置1を作製する際の収縮によるクラックの発生を抑制することができる。
なお、内部導体41,42の形状は、図1及び図2に示す形状に限定されない。
例えば、図3に示されるように、端面10e、10f側部分が幅狭で、中央側が幅広である内部導体41,42を設けてもよい。
図4に示されるように、幅方向に沿って配列された複数の内部導体41,42を設けてもよい。
図5に示されるように、空洞11を横切るように内部導体41を設けてもよい。その場合、内部導体41は、第1の放電電極21の先端部と第2の放電電極22の先端部との対向部と平面視において重なる。よって、発熱しやすい空洞11が設けられた部分の熱をさらに効率的に発散させることができる。
図6に示されるように、内部導体41,42の一方を、他方よりも長くしてもよい。
図7や図8に示されるように、内部導体41,42を空洞11と重畳しないように設けてもよい。図7に示す例では、内部導体41,42は、絶縁材10の四隅に設けられている。
なお、図9に示されるように、絶縁材10に空洞が設けられていなくてもよい。
上記実施形態では、第1の放電電極21の先端部と、第2の放電電極22の先端部とが、放電電極21,22の延びる方向(長さ方向L)において対向している例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図10〜図13に示されるように、第1の放電電極21の先端部と、第2の放電電極22の先端部とが、放電電極21,22の延びる方向(長さ方向L)において対向していなくてもよい。
図10に示される例では、第1の放電電極21の先端部の幅方向Wにおける位置と、第2の放電電極22の先端部の幅方向Wにおける位置とが異なっている。第1の放電電極21の先端部の長さ方向Lにおける位置と、第2の放電電極22の先端部の長さ方向Lにおける位置とが略同じである。このため、第1の放電電極21の幅方向Wにおける一方側の角部と、第2の放電電極22の幅方向Wにおける他方側の角部とが互いに対向している。
図11及び図12に示される例においても、第1の放電電極21の先端部の幅方向Wにおける位置と、第2の放電電極22の先端部の幅方向Wにおける位置とが異なっている。第1の放電電極21の一部と、第2の放電電極22の一部とは、幅方向Wにおいて対向している。
同様に、図13に示される例においても、第1の放電電極21の一部と、第2の放電電極22の一部とは、幅方向Wにおいて対向している。第1の放電電極21と第2の放電電極22とが幅方向Wに互いに対向している部分の最短距離は、第1の放電電極21の先端部と第2の放電電極22との間の長さ方向Lにおける距離と、第2の放電電極22の先端部と第1の放電電極21との間の長さ方向Lにおける距離とのそれぞれよりも短い。このため、第1の放電電極21と第2の放電電極22とが幅方向Wに互いに対向している部分において放電が生じる。
(実施例1)
下記の条件で、上記実施形態に係るESD保護装置1と実質的に同様の構成を有するESD保護装置を作製した。
絶縁材の構成に用いたセラミックス:Ba、Al及びSiを主体とするBAS材
放電電極、外部電極、内部導体:Cu
ESD保護装置の寸法:長さ1.0mm×幅0.5mm×厚み0.3mm
空洞の平面視形状:矩形状
空洞の長さ:200μm
距離L2:100μm(第1及び第2の内部導体のそれぞれが空洞と、(250μm-100μm)/2=50μmずつ重なっている。)
第1及び第2の外部電極の第2及び第4の部分:なし
(実施例2)
第1及び第2の外部電極の第2及び第4の部分を、それぞれ、第1または第2の内部導体と同じ長さで設けたこと以外は、実施例1と同様にしてESD保護装置を作製した。
(実施例3)
距離L2を500μmとして第1及び第2の内部導体のそれぞれが空洞と重ならないようにしたこと以外は、実施例1と同様にしてESD保護装置を作製した。
(実施例4)
距離L2を500μmとして第1及び第2の内部導体のそれぞれが空洞と重ならないようにすると共に、第2及び第4の部分の長さを第1または第2の内部導体と同じにしたこと以外は、実施例2と同様にしてESD保護装置を作製した。
(実施例5)
図5に示されるように、空洞を横切る内部導体を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてESD保護装置を作製した。
(実施例6)
図5に示されるように、空洞を横切る内部導体を形成すると共に、その内部導体と同様の第2の部分を設けたこと以外は、実施例2と同様にしてESD保護装置を作製した。
(比較例)
内部導体を設けなかったこと以外は、実施例1と同様にしてESD保護装置を作製した。
(ESD繰り返し耐性評価)
接触放電にて8kV印加を表1に示される回数だけ行い、続いて、ESDに対する放電応答性を評価した。ESDに対する放電応答性は、IECの規格、IEC61000−4−2に定められている、静電気放電イミュニティ試験によって行った。接触放電にて8kV印加して試料の放電電極間で放電が生じるか否かを調べた。保護回路側で検出されたピーク電圧が700Vを超えるものをESD繰り返し耐性が不良(×印)、ピーク電圧が600〜700Vのものを(△印)、ピーク電圧が450〜600VのものをESD繰り返し耐性が良好(○印)、ピーク電圧が450V未満のものをESD繰り返し耐性が特に良好(◎印)と判定した。
結果を下記の表1に示す。
Figure 0005796677
表1に示す結果から、内部導体を設けることにより、ESD繰り返し耐性が向上することが分かる。さらに、第2及び第4の部分を設けることにより、ESD繰り返し耐性がさらに向上することが分かる。また、内部導体を空洞と重畳することにより、ESD繰り返し耐性がさらに向上することが分かる。
1…ESD保護装置
10…絶縁材
10a…第1の主面
10b…第2の主面
10c…第1の側面
10d…第2の側面
10e…第1の端面
10f…第2の端面
11…空洞
21…第1の放電電極
22…第2の放電電極
31…第1の外部電極
31a…第1の部分
31b1,31b2…第2の部分
32…第2の外部電極
32a…第3の部分
32b1,32b2…第4の部分
41、41a、41b…第1の内部導体
42、42a、42b…第2の内部導体
51…放電補助電極
51a…金属粒子
51b…半導体セラミック粒子
52…保護層

Claims (10)

  1. 絶縁材と、
    前記絶縁材中に設けられ、前記絶縁材の厚み方向における同一高さにおいて先端部が互いに対向するように配置された第1及び第2の放電電極と、
    前記絶縁材の外表面上に設けられており、前記第1の放電電極に電気的に接続された第1の外部電極と、
    前記絶縁材の外表面上に設けられており、前記第2の放電電極に電気的に接続された第2の外部電極と、
    前記絶縁材中に設けられており、前記第1の放電電極に接続された第1の内部導体と、前記第2の放電電極に接続された第2の内部導体とを備え、
    前記第1の内部導体の先端部と前記第2の内部導体の先端部は、前記絶縁材の厚み方向における同一高さにおいて、前記絶縁材を介して対向するように配置されており、
    前記第1の内部導体の先端部と前記第2の内部導体の先端部との間の距離は、前記第1の放電電極の先端部と前記第2の放電電極の先端部との間の距離の2倍以上である、ESD保護装置。
  2. 前記絶縁材は、空洞を有し、
    前記第1の放電電極の先端部と前記第2の放電電極の先端部とのそれぞれが前記空洞内に位置している、請求項1に記載のESD保護装置。
  3. 前記第1の内部導体と前記第2の内部導体は、平面視において前記空洞と重なるように設けられている、請求項に記載のESD保護装置。
  4. 絶縁材は、第1及び第2の主面と、第1及び第2の側面と、第1及び第2の端面とを有し、
    前記第1の外部電極は、前記第1の端面の上に設けられた第1の部分と、前記第1及び第2の主面の少なくとも一方の上に設けられた第2の部分とを有し、
    前記第2の外部電極は、前記第2の端面の上に設けられた第3の部分と、前記第1及び第2の主面の少なくとも一方の上に設けられた第4の部分とを有する、請求項1に記載のESD保護装置。
  5. 前記第1の内部導体前記第1の部分に接続されており、前記第2の内部導体が、前記第3の部分に接続されている、請求項に記載のESD保護装置。
  6. 前記絶縁材は、空洞を有し、
    前記第1の放電電極の先端部と前記第2の放電電極の先端部とのそれぞれが前記空洞内に位置しており、
    前記第2及び第4の部分の少なくとも一方が、平面視において前記空洞と重なるように設けられている、請求項またはに記載のESD保護装置。
  7. 前記第1の放電電極の先端部と前記第2の放電電極の先端部との間に配されており、前記第1の放電電極と前記第2の放電電極との間の放電開始電圧を低下させる放電補助電極をさらに備える、請求項1〜のいずれか一項に記載のESD保護装置。
  8. 前記絶縁材と、前記第1及び第2の放電電極の少なくとも一方の先端部との間に配された保護層をさらに備える、請求項1〜のいずれか一項に記載のESD保護装置。
  9. 前記保護層が、アルミナ、ムライト、ジルコニア、マグネシア及び石英からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項に記載のESD保護装置。
  10. 前記内部導体として、前記第1の放電電極に接続された第1の内部導体と、前記第2の放電電極に接続された第2の内部導体とを備え、
    前記第1の内部導体と前記第2の内部導体それぞれ前記絶縁材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられ、
    前記第1の内部導体と前記第2の内部導体とは、前記絶縁材の厚み方向に沿って平面視したときに、重なっていない、請求項1に記載のESD保護装置。
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