JP6294165B2 - チップ型ヒューズ - Google Patents

Description

本発明は回路保護素子に係り、特に所定の過電流で溶断するヒューズエレメントを備えたチップ型ヒューズに関する。

従来から、絶縁性基板の上面に下地ガラス層が形成され、その上面に一対の厚膜電極が形成され、この厚膜電極に接続するように薄膜または厚膜からなるヒューズエレメントが形成され、その上面に上側ガラス層が形成され、さらにその上面に樹脂保護層が形成された、チップ型ヒューズが知られている（特許文献１参照）。係るヒューズによれば、ヒューズエレメントが上下のガラス層で覆われているために、ヒューズエレメントから生じる熱が蓄熱される効果が生じ、ヒューズエレメントを小さな過電流でも高速に溶断させることが可能である。

このチップ型ヒューズにおいては、ヒューズエレメントの耐熱性向上を目的の一つとして、エレメントをガラス層で両面からコートしているが、これは大気中の気体酸素との反応を想定したものである。しかしながら、多湿環境下では、ガラス成分の酸化ホウ素がホウ酸となってヒューズエレメント上に溶け出し、Ｃｕのヒューズエレメントパターンを腐食してしまうという問題がある。加えて、Ｃｕのヒューズエレメントパターンが表面に形成され、高温環境にさらされると、Ｃｕの移動が促進され、結果として粒界に沿ったＣｕの隆起が生じ、長期的にはヒューズエレメントが破損する可能性がある。

特開２００８−５２９８９号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、高温多湿環境下でも安定に動作が可能な、耐候性に優れたチップ型ヒューズを提供することを目的とする。

本発明のチップ型ヒューズは、絶縁性基板と、該絶縁性基板上に積層した下地ガラス層と、該下地ガラス層上の両端側に配設された一対の電極と、前記電極間に配設されたヒューズエレメントと、該エレメントの少なくとも溶断部を被覆する上側ガラス層を備え、前記エレメントは第一の金属層と第二の金属層とが積層され、さらに前記エレメントの幅よりも広い幅で前記第一と第二の金属層を覆う第三の金属層からなるバリア層を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、エレメントの溶断部を被覆する上側ガラス層は一般に融点を下げるためホウ素を含有したホウケイ酸ガラスからなり、多湿環境下ではガラス成分の酸化ホウ素がホウ酸となってエレメント上に溶け出し、Ｃｕ等のエレメントパターンを腐食してしまうという問題があるが、エレメントを覆う第三の金属層からなるバリア層を備えたことで、エレメントパターンの腐食を防止することができる。さらに、高温環境下では導電性に優れたエレメントの金属層が流動化するが、バリア層がこの移動を抑制し、耐熱性を向上することができる。従って、高温・多湿環境下において安定動作が可能な、耐候性に優れたチップ型ヒューズが得られる。

本発明の一実施例のチップ型ヒューズの、図２および図３のＡＡ線に沿った断面図である。 図１のチップ型ヒューズの上側ガラス層を形成した段階の平面図である。 図１のチップ型ヒューズの保護樹脂層を形成した段階の平面図である。 図２および図３のＢＢ線に沿った拡大断面図である。 ８５℃/８５％耐湿通電試験結果を示すグラフである。 １７５℃耐熱放置試験結果を示すグラフである。 １３４℃/９５％耐湿通電試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１−４は、本発明の一実施例のチップ型ヒューズの構造を示す。このヒューズ１０は、アルミナ等の絶縁性基板１１と、該絶縁性基板上に積層した下地ガラス層１２と、該下地ガラス層上の両端側に配設された一対の電極１５Ａと、この電極１５Ａ間に配設されたヒューズエレメント１５Ｂと、該エレメントの少なくとも溶断部を被覆する上側ガラス層１７を備える。ヒューズエレメント層１５は幅広の電極１５Ａと該電極間をつなぐ幅狭のヒューズエレメント１５Ｂが一体的に構成されている。

ヒューズエレメント層１５は、スパッタにより形成された第一の金属層１５ａに、同様にスパッタにより形成された第二の金属層１５ｂが積層されてなる。第一の金属層１５ａは例えば膜厚５００Å程度のＣｒ層からなり、第二の金属層１５ｂは例えば膜厚１〜３μｍ程度のＣｕ層からなる。ここで、電流は主として導電性の高いＣｕ層からなる第二の金属層１５ｂに流れ、第一の金属層１５ａは第二の金属層１５ｂを下地ガラス層１２に接合する役割を主として果たしている。

ヒューズエレメント層１５は、その幅よりも広い幅で第二の金属層１５ｂを覆う第三の金属層からなるバリア層１６を備える。すなわち、第三の金属層からなるバリア層１６によって、第二の金属層１５ｂを介して第一の金属層１５ａまで回り込んで覆われている（図４参照）。バリア層１６である第三の金属層は、Ｔａ、またはＣｒ、のいずれかからなることが好ましく、スパッタにより形成される。但し、Ｎｉ、ＮｉＣｒ（６：４）、ＮｉＣｒ（８：２）、Ｔｉ等もバリア効果が認められ、バリア層として使用可能である。バリア層１６の膜厚は、５０〜２０００Åの範囲であることが好ましい。

ヒューズエレメント層１５の溶断部（ヒューズエレメント）１５Ｂを覆う領域に、電極１５Ａの幅より狭い上側ガラス層１７が形成されている。従って、主たる電流経路であるＣｕからなる第二の金属層１５ｂは、四面がＴａまたはＣｒ等からなるバリア層１６と、Ｃｒからなる第一の金属層１５ａによって囲まれている。さらに、第一と第二の金属層からなるヒューズエレメント層１５と第三の金属層からなるバリア層１６は下地ガラス層１２および上側ガラス１７によって囲まれている（図４参照）。

上側ガラス層１７のさらに上側には、エポキシ樹脂等からなる保護層１８が配置されている。絶縁基板１１および下地ガラス層１２の端面には表電極１５Ａと裏電極１４を接続する端面電極が形成され、その面および表裏電極１５Ａ，１４の露出部に面実装に好適な電極メッキ層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが形成されている（図１参照）。電極メッキ層２０ａはＮｉメッキ層からなり、２０ｂはＣｕメッキ層からなり、２０ｃはＮｉメッキ層からなり、２０ｄはＳｎメッキ層からなる。係る構成は通常のチップ型部品と同様であり、このチップ型ヒューズ１０も面実装が可能なチップ型部品である。

後工程で形成するものほど、低温で加工しなければばらない制約から、上側ガラス層１７には低融点ガラスが使用される。低融点ガラスには、その融点を下げる目的で一般にホウ素、鉛、ビスマスといった成分が含有されている。この代表的な材料の1つがホウケイ酸ガラスである。ホウケイ酸ガラスは多湿環境下で水分を取り込み、溶け出したホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）によって以下の反応が起こり、多湿環境下でＣｕからなるヒューズエレメントが腐食してしまう。
Ｂ_２Ｏ_３（ガラス）＋ ３Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ_３ＢＯ_３（ホウ酸）
ＣｕＯ ＋ ２Ｈ_３ＢＯ_３（ホウ酸） → Ｃｕ（ＢＯ_２）_２ ＋ ３Ｈ_２Ｏ

すなわち、高湿環境では、外部の水分子が製品内部に入り込んでヒューズエレメントに到達し、水分による酸化によってヒューズエレメントが腐食するメカニズムが想定される。故に、ヒューズエレメント層１５のＣｕが水分子に攻撃されるのをバリア層１６がガードするので、Ｃｕの水分侵入による腐食が防止され、耐湿性が向上するものと考えられる。

また、高温環境では、ヒューズエレメント層１５のＣｕ粒子が熱エネルギーによって活性化されて移動しやすい状態になる。それによりヒューズエレメント表面のＣｕ粒子が移動現象を引き起こすので、その表面にフタをするようにバリア層１６が形成され、その内部のＣｕ粒子の動きを止めるものと考えられる。それ故、バリア層１６によりＣｕの隆起現象等が防止され、耐熱性が向上する。結果としてバリア層１６は２種類の故障メガニズムに作用し得るので、耐湿性および耐熱性を向上させ、耐候性に優れたチップ型ヒューズが得られる。

図５は、８５℃/８５％耐湿通電試験結果を示す。バリア層１６の導入品にて８５℃８５％の耐湿通電試験を実施したところ、バリア層１６がＴａおよびＣｒの場合、従来構造（バリア層無し）に対する耐候性の優位差を確認した。すなわち、上記試験後にサンプルを抜き取り、ヒューズエレメント層１５の腐食がおきていないかを確認したところ、バリア層を備えない従来構造以外では、腐食は生じていなかったことが確認された。但し、バリア層１６の成分によっては腐食に対してバリア層の効果がないものがあるので、実施にあたってはバリア層の材料を選ぶ必要がある。

バリア層１６を備えない従来構造では、上記試験を実施したところ、ヒューズエレメント上に腐食部が見いだされた。バリア層１６がＴａとＣｒ（ともに厚み：２５０Å）については、腐食は無く、抵抗値の変動も僅かであり、バリア層としての効果を確認できた。バリア層１６がＮｉ（厚み：３３３Å）の場合においても、腐食は生じず効果を確認できた。また、バリア層の材料としてＮｉ、ＮｉＣｒ（６：４）、ＮｉＣｒ（８：２）、Ｔｉでも、耐湿性は向上するものと考えられる。

一方、バリア層１６がＣｒ、Ｔａの場合は、高温環境下でのＣｕ表面の粒子移動現象においても効果がある。Ｃｕからなるエレメント層１５表面に、Ｃｒ、Ｔａ（共に２５０Å）からなるバリア層１６を形成することによって、内部のエレメントであるＣｕ粒子の活性を低下させ、長期の動作特性を向上させることができる。

この確認のため、着膜条件の異なる５つのサンプル（従来構造、バリア層−Ｎｉ２種（６６Å、３３３Å）、Ｔａ（２５０Å）、Ｃｒ（２５０Å））を作製し、１７５℃の試験槽中に放置し、ΔＲ（抵抗値変動）を観測した（図６参照）。１０００時間経過して、従来構造のものは抵抗値変動も大きく（Ｍａｘ．＝５．５％）、ばらつきも大きかった。これに対し、バリア層１６を形成したものはいずれもそれより好成績であった。最も良かったバリア層材料はＣｒであり、抵抗値変動（Ｍａｘ．＝１．１１％）であり、ばらつきも小であった。Ｔａについても同様である。また、この時点でサンプルを抜き取り、ヒューズエレメントを観察したところ、上記材料のバリア層形成品についてはＣｕの隆起は生じていなかった。これをもって耐熱性への効果も確認できた。

図７はＰＣＴ試験の結果を示す。ＰＣＴ試験とは、プレッシャークッカー試験の略で、加速寿命試験の一種である。１３４℃の高温で、且つ湿度９５％の加圧水蒸気雰囲気下で、定格電流値の８％の電流を印加して行う過酷な試験である。これにより、試験槽内の水蒸気圧力を供試品の内部の水蒸気分圧よりも極端に高めることにより、供試品の内部への水分の浸入を時間的に短縮することができ、電子部品材料の耐湿・耐熱評価を短時間で行うことができる。

５０時間以上経過後の抵抗値変動（ΔＲ）は、バリア層Ｃｒ７５０Å（●印）およびバリア層Ｔｉ１５００Åが最も小さく、次いでバリア層Ｔａ７５０Å（◆印）が小さく、バリア層Ｎｉ１５００Å（■印）がこれらより大きく、バリア層Ｎｉ７５０ÅがＮｉ１５００Åより少し大きい。しかしながら、バリア層を備えたサンプルはいずれも従来構造（バリア層無し）よりも抵抗値変動（ΔＲ）が小さいという結果が得られている。

以上の結果からバリア層を備えることで、チップ型ヒューズの耐候性が改善され、特に、バリア層として、Ｃｒ，Ｔａ，Ｔｉ等の薄膜が有効である。また、Ｎｉ、ＮｉＣｒ（６：４）、ＮｉＣｒ（８：２）等についても検討したが、これらについても、Ｃｕ粒子の移動は認められず、図７に示すように、従来構造と比較して抵抗値変動（ΔＲ）が小さく、バリア層として有効と考えられる。バリア層の膜厚に関しては、これらの試験結果から５０〜２０００Åの範囲で十分と考えられる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、チップ型回路保護素子、特にチップ型ヒューズに好適に利用可能である。

Claims (5)

1. 絶縁性基板と、
   該絶縁性基板上に積層した下地ガラス層と、
   該下地ガラス層上の両端側に配設された一対の電極と、
   前記電極間に配設されたヒューズエレメントと、
   該エレメントの少なくとも溶断部を被覆する上側ガラス層を備え、
   前記エレメントは第一の金属層と第二の金属層とが積層され、さらに前記エレメントの幅よりも広い幅で前記第一と第二の金属層を覆う第三の金属層からなるバリア層を備えたことを特徴とするチップ型ヒューズ。
2. 請求項１に記載のチップ型ヒューズにおいて、
   前記第三の金属層によって第二の金属層を介して第一の金属層まで回り込んで覆われていることを特徴とするチップ型ヒューズ。
3. 請求項１に記載のチップ型ヒューズにおいて、
   前記第一の金属層はＣｒからなり、前記第二の金属層はＣｕからなるヒューズエレメントであることを特徴とするチップ型ヒューズ。
4. 請求項１に記載のチップ型ヒューズにおいて、
   前記第三の金属層は、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、またはＴｉのいずれかからなるバリア層であることを特徴とするチップ型ヒューズ。
5. 請求項１に記載のチップ型ヒューズにおいて、
   前記バリア層の膜厚は、５０〜２０００Åの範囲であることを特徴とするチップ型ヒューズ。

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