JP6355360B2 - 酸化亜鉛系バリスタの製造方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態例に係る酸化亜鉛バリスタの主原料である酸化亜鉛(ZnO)は、結晶構造内にインタースティシャルなZn+が存在するn型半導体セラミックスである。バリスタ用の酸化亜鉛としては、通常、粒径が0.4〜1.5μmで均一な粒を用いる。
酸化ビスマスは、酸化亜鉛バリスタにとって粒界形成を担う物質である。740℃付近に共晶点を持ち、ZnOに固溶し粒界準位を形成する。その他原料との触媒作用により温度はずれるが、比較的低温から液相を形成し、添加物や酸素の運搬も行う。また、粒成長を促進する効果がある。酸化ビスマスが過剰に添加されると、余分なBi相が素子表面に析出し、そのバラツキにより電界が不均一となって制限電圧、インパルス特性が劣化する。また、部分的に過剰な粒成長を起こし、制限電圧等の特性が劣化する。
酸化アンチモンは、酸化亜鉛バリスタにとって粒成長抑制効果を示す。過酸化アンチモン、パイロクロア、スピネルを形成する過程で粒成長を抑制する結果、粒成長の均一性が得られ、グレインの均一性に支配される制限電圧特性が改善される。また、過剰に添加されると、得られるパイロクロアやスピネル結晶部と粒界部の比抵抗の差から電界の不均一を招き、制限電圧特性、インパルス耐量特性が劣化する。逆に添加量が少ないと粒成長の抑制効果にバラツキが生じ、グレインサイズがばらつく結果、電界の不均一を招き、制限電圧特性、インパルス耐量特性が劣化する。
コバルト、マンガン、ニッケルといった遷移金属元素は、酸化亜鉛バリスタにとって、ZnOに固溶しダブルショットキー障壁を形成する。それぞれ価数の違い、電子配置の違い、固溶温度の違い、イオン半径の違いから、安定したダブルショットキー障壁を形成するためには、1種類以上の添加が望ましい。固溶限界も全率固溶ではないため、適正な添加量は、多くの試験を繰りかえすことで決定される。
酸化クロムは、酸化亜鉛バリスタにとって、粒および結晶の安定化作用がある。添加量が少な過ぎると、このような安定化の効果は薄く、逆に添加が過剰になると不純物として働き、グレインの不均一性を招いて、制限電圧、インパルス耐量が劣化する。
酸化亜鉛バリスタにとって、添加するガラスの組成により細かな作用は変わるが、共通して言えることは、焼成温度の低温化に寄与するとともに焼結助剤として作用し、かつ、粒界相を形成する。ガラスを過剰に添加すると、粒界および素子表面に多量に析出し、漏れ電流特性には良い結果となっても、大きなインパルスが入力されたときの熱拡散効率が低下するため、インパルス耐量は劣化する。
ドナー元素は、酸化亜鉛バリスタにとって、主原料であるZnOの低抵抗化を促すため、大きなインパルスが入ったときに発生するジュール熱を素早く拡散させる効果があり、制限電圧やインパルス耐量を改善する。ドナー元素を過剰に添加すると、ZnOとの間でスピネルを形成するため、異常粒成長という焼結促進効果とともに粒成長阻害効果が現れ、焼結阻害効果の2面性を持つ。何れにしても、制限電圧、インパルス耐量が劣化する。その一方で、ドナー元素の添加量が少な過ぎると、これらの効果は現れない。ただし、部分的に低抵抗化が起こるため、特性のばらつきに繋がる。
漏れ電流とは、通常、最大許容回路電圧印加時に流れる電流を示す。バリスタの漏れ電流の評価では、バリスタの使用時に連続して印加され得る電圧環境下で、どれだけの電流ロスが発生するかを見る。漏れ電流は少ないほど望ましく、漏れ電流が大きいと劣化故障が起こりやすいため、漏れ電流の小さいバリスタは長期寿命という点でも優れている。
上記のようにバリスタ電圧とは、1mAの電流が流れたときに出現する電圧V1mAであるのに対して、バリスタの制限電圧とは、1A、2A、10A程度といった比較的大きな電流が流れたときのバリスタ電圧である。バリスタは、保護したい部品と並列に接続され、ESD等の何らかの理由で発生した異常高電圧の高電圧部をカットして回路を保護する。このように電圧を低く抑える機能を示す制限電圧は、その値が低いほど、回路電圧、保護部品にかかる負荷が減ることを示している。
インパルス耐量とは、雷サージ、車載のモーターサージ、イグニッションサージのような高電圧/大電流パルスが入ってきたときの耐量を示している。インパルス耐量を向上させるためには、バリスタの基本構成であるグレインとグレインバウンダリの両方での対応が必要となる。まず、グレインは、低抵抗化を図り、入力された大電流がグレインバウンダリでジュール熱に変わるその熱を素早くバルク全体へ拡散し、1粒界の破壊を防ぐことが望まれる。
酸化亜鉛とガラスのみではバリスタ特性が得られないため、基本組成としてのバリスタ原料に各種ガラス材料を添加して評価を行った。表1は、本実施の形態例に係る酸化亜鉛型積層チップバリスタの基本組成(基本組成1という)としてのバリスタ原料(元素・材料)と、その添加量を示している。なお、表1において、ZnO以外の元素の添加量は、ZnO 100mol%に対する外掛けの添加量である。
(i)ガラスA:SiO2ガラス
(ii)ガラスB:ホウケイ酸鉛ガラス(B2O3−SiO2系)
(iii)ガラスC:ホウケイ酸ビスマスガラス(B2O3−SiO2−Bi2O3系)
(iv)ガラスD:ホウケイ酸亜鉛ガラス(B2O3−SiO2−ZnO系)
の4組成のガラス材料について検討した。
ガラス材料への添加物としてのPbO、Bi2O3は、ZnOの粒界構成物質としてバリスタ原料に含まれるBi2O3の分布、濃度差を抑え、共存させることができる。また、これらの添加物は、ガラスの流動性に影響を与える。PbOやBi2O3をバリスタ原料に添加するとともに、ガラス材料にも添加しておく。また、PbO、Bi2O3の一部をガラス化してからバリスタ原料に添加することによって、過剰な反応を抑えることができる。鉛フリーの要求に対しては、Bi2O3を選択する。
ガラス材料への添加物としてのSb2O3やAl2O3は、ZnOの粒成長を制御する。これをバリスタ原料に添加するとともに、ガラス材料にも添加する。また、一部をガラス化してからバリスタ原料に添加することによって、予めバリスタ原料に添加されたSb2O3と相溶共存させることができる。なお、Sb2O3、Al2O3は、本願の特許請求の範囲に記載した共通元素に相当する。
ガラス材料への添加物としてのMnO2、CoO、Cr2O3は、粒界を制御し、ZnOに固溶していく遷移金属群であり、特に反応性の良い元素である。これらの添加物すべて、または、いずれかを、バリスタ原料とガラス材料の双方に添加しておく。また、一部をガラス化してバリスタ原料に添加することによって、過剰な反応を抑制し、酸化亜鉛の性能を整えることができる。なお、MnO2、CoO、Cr2O3は、本願の特許請求の範囲に記載した共通元素に含まれる遷移金属に相当する。
酸化亜鉛と遷移金属のみではバリスタ特性が得られないため、基本組成としてのバリスタ原料に各種遷移金属元素を添加して評価を行った。表7は、酸化亜鉛型積層チップバリスタの基本組成2としてのバリスタ原料(元素・材料)と、その添加量を示している。なお、表7において、ZnO以外の元素の添加量は、ZnO 100mol%に対する外掛けの添加量である。
(i)酸化コバルト(CoO)単独
(ii)酸化マンガン(MnO2)単独
(iii)酸化コバルト(CoO)と酸化マンガン(MnO2)の複合
ここでは、基本組成としてのバリスタ原料に、その他の元素として、粒界形成物質(酸化ビスマス(Bi2O3))、粒成長阻害物質(酸化アンチモン(Sb2O3)、酸化クロム(Cr2O3))、ドナー元素(ホウ酸(H3BO3)、酸化アルミニウム(Al2O3))を添加した場合の効果およびその添加量を検討した。
酸化亜鉛と酸化ビスマスのみではバリスタ特性は得られないため、表13に示す、基本組成としてのバリスタ原料(基本組成3という)に酸化ビスマス元素(Bi2O3)を添加したときの特性評価項目について試験を行った。なお、表13において、ZnO以外の元素の添加量は、ZnO 100mol%に対する外掛けの添加量である。
酸化亜鉛と酸化アンチモン、酸化クロムのみではバリスタ特性は得られないため、表15に示す、基本組成としてバリスタ原料(基本組成4という)に、粒成長阻害物質として、酸化アンチモン(Sb2O3)と酸化クロム(Cr2O3)を組み合わせて添加し、その効果を評価した。なお、表15において、ZnO以外の元素の添加量は、ZnO 100mol%に対する外掛けの添加量である。
酸化亜鉛とドナー元素のみではバリスタ特性は得られないため、表19に示すように、基本組成としてのバリスタ原料(基本組成5という)に、ドナー元素としてホウ酸(H3BO3)、酸化アルミニウム(Al2O3)を添加して特性を評価した。なお、表19において、ZnO以外の元素の添加量は、ZnO 100mol%に対する外掛けの添加量である。
Claims (5)
- 酸化亜鉛(ZnO)を主原料とし、その主原料に第1の添加物を添加してなるバリスタ原料と、ホウケイ酸亜鉛系ガラスであって、第2の添加物を添加してなるガラス材料を準備するステップと、
前記バリスタ原料と前記ガラス材料とを混合した混合材料を作製するステップと、
前記混合材料より酸化亜鉛系バリスタのバリスタ素体を形成するステップと、を備え、
前記第1の添加物および前記第2の添加物は、前記バリスタ原料と前記ガラス材料の双方に添加される所定の共通元素を含み、
前記共通元素は、酸化マンガン(MnO 2 )、酸化コバルト(CoO)、酸化クロム(Cr 2 O 3 )のいずれかであることを特徴とする酸化亜鉛系バリスタの製造方法。 - 前記ガラス材料を、前記バリスタ原料に含まれる酸化亜鉛に対して0.5重量部〜2.5重量部となるように秤量して、前記バリスタ原料と混合することを特徴とする請求項1に記載の酸化亜鉛系バリスタの製造方法。
- 前記共通元素の前記ガラス材料における添加量が1.0〜5.0wt%であることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化亜鉛系バリスタの製造方法。
- 前記共通元素は、酸化アンチモン(Sb2O3)または酸化アルミニウム(Al2O3)を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の酸化亜鉛系バリスタの製造方法。
- 前記ガラス材料は、前記第2の添加物以外の添加物として酸化鉛(PbO)または酸化ビスマス(Bi2O3)を含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化亜鉛系バリスタの製造方法。
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