JP6590004B2 - サーミスタ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、このようなサーミスタ素子では、従来、サーミスタ素体上にAu等の貴金属ペーストを用いて電極を形成しているものが採用されている。
すなわち、上記従来のサーミスタでは、ガラスフリットとRuO2粒とを含んだペーストをサーミスタ素体の表面に塗布し、これを焼き付け処理することで、電極の中間層を形成しているため、RuO2粒同士の間にガラスフリット粒子が割り込んだ状態でRuO2のネットワークが形成されるため、RuO2粒同士の接触が減少したり、RuO2粒同士の間にガラスフリットが入り込み、RuO2粒同士の電気的導通を阻害している部分が多く発生したりすることで、中間層の抵抗値が増加してしまう不都合があった。RuO2を含む中間層の役割は、電極の一部が中間層から剥離した場合においても、サーミスタ素子と電気回路との電気的な接続を維持することで、素子の抵抗値を増大させないことであるが、上記従来のサーミスタでは、このように抵抗値の高い中間層であるために電気的な接続が不十分であり、長時間使用によるヒートサイクルによって電極の剥離が進行することで、抵抗値が顕著に増大してしまう問題があった。さらに、中間層内部および中間層とサーミスタ素体との間にガラス層や空隙が点在するため、その不均一性に起因した歪や熱応力が生じることで中間層自体の強度や、素体との十分な密着性が得られず、中間層内部での破壊や中間層とサーミスタ素体との間で剥離が生じ易くなり、中間層が補助電極としての役割を十分に果たすことができない。さらに、RuO2粒を含んだ粘度の高いペーストをサーミスタ素体の表面に塗布するため、厚膜の中間層しか形成できず、希少金属のRuを含むRuO2粒の使用量が多くなってしまう問題もあった。
すなわち、このサーミスタ素子では、導電性中間層の厚さが100〜1000nmであるので、薄膜で十分な抵抗値の導電性中間層が得られる。なお、RuO2層の厚さが100nm未満であると、抵抗値が不十分になる場合がある。また、導電性中間層の厚さは1000nmまでで十分な低抵抗と密着性が得られ、それを超える厚さを得るには必要以上にRuO2粒を使用することになり、高コストになってしまう。
すなわち、このサーミスタ素子の製造方法では、RuO2分散液の塗布とシリカゾルゲル液の塗布とを、スピンコートや、ディップコート、スロットダイコート等の湿式塗工法により行うので、RuO2粒がサーミスタ素体上の面内において均一に分布した薄く低抵抗なRuO2層及び導電性中間層を容易に得ることができる。
すなわち、本発明に係るサーミスタ素子によれば、導電性中間層が、サーミスタ素体の表面の凹凸に沿って凝集したRuO2粒が均一に分布していると共にRuO2粒の隙間にSiO2が介在した層であって、サーミスタ素体の表面の凹凸に沿ってサーミスタ素体に密着した状態で形成されているので、面内に均一に分布したRuO2粒により、サーミスタ素体の表面に沿って密着性の面内分布が均一で高い密着性が得られると共に安定した電気的特性が得られる。
したがって、本発明では、薄い導電性中間層でも低抵抗が得られ、サーミスタ素体と導電性中間層との高い密着性によりヒートサイクル試験等において電極の剥離が進行しても、抵抗値の増大を抑制可能である。
また、本発明に係るサーミスタ素子の製造方法によれば、RuO2分散液の塗布とシリカゾルゲル液の塗布とを、スピンコートや、ディップコート、スロットダイコート等の湿式塗工法により行うので、RuO2粒がサーミスタ素体上の面内において均一に分布した薄く低抵抗なRuO2層及び導電性中間層を容易に得ることができる。
上記導電性中間層4は、サーミスタ素体2の表面の凹凸に沿って凝集したRuO2粒3aが均一に分布していると共にRuO2粒3aの隙間にSiO2が介在した層であって、サーミスタ素体2の表面の凹凸に沿ってサーミスタ素体2に密着した状態で形成されている。
なお、本願発明における上記「均一に分布」は、図4に示すように、走査型電子顕微鏡による断面観察から、導電性中間層4内に、周囲をRuO2粒3aに囲まれ、直径300nm以上の円を内接するRuO2粒3aの存在しない領域を、サーミスタ素体2の表面に沿った方向における導電性中間層4の5μm中に包含しない場合を意味している。
また、上記断面観察は、イオン研磨によって断面加工し、加速電圧1kV,反射電子像で判定する。
上記中間層形成工程は、図3の(a)に示すように、RuO2粒3aと有機溶媒とを含有したRuO2分散液をサーミスタ素体2上に塗布し、乾燥させてRuO2層3を形成する工程と、図3の(b)に示すように、RuO2層3上にシリコンアルコキシドのオリゴマー体と有機溶媒と水と酸とを含有したシリカゾルゲル液を塗布し、RuO2層3中にシリカゾルゲル液を浸透させた状態で乾燥させ導電性中間層4を形成する工程とを有している。
また、上記RuO2分散液の塗布と上記シリカゾルゲル液の塗布とは、スピンコートや、ディップコート、スロットダイコート等の湿式塗工法により行う。
なお、上記RuO2層3の厚さは、100〜1000nmとされる。
上記RuO2分散液は、例えばRuO2粒3aと、有機溶媒とを混合したRuO2インクである。
上記RuO2粒3aは、その平均粒径が10〜100nmのものが使用されるが、特に50nm程度のものが好ましい。
有機溶媒には、エタノールなど公知の溶媒を1種類または複数の混合物用いることができ、前記有機溶媒に溶ける分散剤を含んでもよい。分散剤としては吸着基を複数持つポリマー型のものが好ましい。
上記貴金属ペーストは、例えばガラスフリットを含有したAuペーストである。
具体的には、RuO2粒3aを含有したRuO2分散液をサーミスタ素体2上にスピンコートや、ディップコート、スロットダイコート等の湿式塗工法で塗布し、例えば150℃,10minで乾燥させると、RuO2分散液中の有機溶剤は蒸発してRuO2粒3a同士が互いに接触した状態のRuO2層3が形成される。このとき、RuO2粒3a同士の接触部分以外には、微細な隙間が生じている。
このようにして、図1及び図2に示すように、Auの電極層5が導電性中間層4上に形成されたサーミスタ素子1が作製される。
したがって、薄い導電性中間層4でも低抵抗が得られ、サーミスタ素体2と導電性中間層4との高い密着性によりヒートサイクル試験等において導電性中間層4と電極層5と間の剥離が進行しても、抵抗値の増大を抑制可能である。
特に、本実施形態のサーミスタ素子1の製造方法では、RuO2分散液の塗布とシリカゾルゲル液の塗布とをスピンコートや、ディップコート、スロットダイコート等の湿式塗工法により行うので、RuO2粒3aがサーミスタ素体2上の面内において均一に分布した薄く低抵抗なRuO2層3及び導電性中間層4を容易に得ることができる。
なお、比較のため、ガラスフリットとRuO2とを含んだペーストで導電性中間層を形成した従来のサーミスタ素子についても、断面のSEM写真を図6に示す。
また、従来例では、サーミスタ素体と導電中間層との間にガラス層が点在しており、導電中間層がサーミスタ素体に密着していない部分が点在しているが、本発明の導電性中間層では、サーミスタ素体と導電中間層との間にガラス層は見られず、RuO2粒同士が連続して接触及び密着した状態であり、サーミスタ素体の表面の凹凸に沿ってサーミスタ素体に密着した状態で薄膜状に形成されている。
このサーミスタ素子1について、金メタライズされたAlN基板に箔状のAu−Snはんだを用いてN2フロー中、325℃の条件で実装した。このサーミスタ素子を実装したAlN基板を配線がなされたプリント基板上に接着剤で固定し、Auワイヤーボンディングによって評価回路を形成し、評価用のサンプルとした。
なお、比較例として、本発明の導電性中間層を採用せず、サーミスタ素体上にAuペーストを直接塗布し、焼き付け処理したものを同様に、試験を行った結果も、表1及び図11に示す。なお、実施例、比較例のいずれも素子20個について測定し、その平均値である。
なお、いずれも素子サイズが0.6×0.6×0.2mmであり、各素子20個について評価を行い、そのうち最も抵抗値の変化が大きかったものを示している。
なお、ダイシェア試験は、AuSnはんだを用いてAuメタライズ基板に従来例及び本発明の実施例を実装して行った。
これらの結果、ガラスフリットとRuO2とを含んだペーストの印刷で厚膜の導電中間層を形成した従来例では、サーミスタ素体と導電中間層との間で剥離が生じてしまったのに対し、上記スピンコートで薄膜の導電中間層を形成した本発明の実施例では、電極層と導電中間層との間、又は電極層とAuSnはんだとの間で剥離が生じており、サーミスタ素体と導電中間層との密着性が高いことがわかる。
なお、上記従来例のダイシェア強度は、3.9kgf/mm2(N=5の平均値)であり、上記本発明の実施例のダイシェア強度は、従来例よりも高く、5.8kgf/mm2(N=5の平均値)であった。
Claims (3)
- サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体と、
前記サーミスタ素体上に形成された導電性中間層と、
前記導電性中間層上に形成された電極層とを備え、
前記導電性中間層が、前記サーミスタ素体の表面の凹凸に沿って、互いに接触したRuO2粒が均一に分布していると共に前記RuO2粒の隙間にSiO2が介在した層であって、前記サーミスタ素体の表面の凹凸に沿って前記サーミスタ素体に密着した状態で形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。 - 請求項1に記載のサーミスタ素子において、
前記導電性中間層の厚さが100〜1000nmであることを特徴とするサーミスタ素子。 - 請求項1又は2に記載のサーミスタ素子を製造する方法であって、
サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体上に導電性中間層を形成する中間層形成工程と、
前記導電性中間層上に電極層を形成する電極形成工程とを有し、
前記中間層形成工程が、RuO2粒と有機溶媒とを含有したRuO2分散液を前記サーミスタ素体上に塗布し、乾燥させてRuO2層を形成する工程と、
前記RuO2層上にSiO2と有機溶媒と水と酸とを含有したシリカゾルゲル液を塗布し、前記RuO2層中に前記シリカゾルゲル液を浸透させた状態で乾燥させ前記導電性中間層を形成する工程とを有し、
前記RuO2分散液の塗布と前記シリカゾルゲル液の塗布とを、湿式塗工法により行うことを特徴とするサーミスタ素子の製造方法。
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