JPWO2009069270A1 - 静電気対策部品およびその製造方法 - Google Patents

静電気対策部品およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

静電気対策部品は、内部に空洞部を有するセラミック素体と、空洞部を介して対向する２つの放電用電極とを備える。放電用電極はタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属よりなる。放電用電極でのタングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である。この静電気対策部品は、高電圧の静電気を繰り返し放電用電極に印加してもショートの恐れが少なく、高い信頼性を有する。

Description

本発明は、静電気を吸収するための静電気対策部品に関する。
近年、携帯電話など電子機器の小型化、高性能化の要望に応えるため、ＩＣのさらなる微細化、高集積化が進んでいるが、一方で耐電圧が低下している。人体と電子機器の端子などが接触したときに発生する静電気放電サージのようにエネルギの小さいサージでも、ＩＣの破壊や誤動作が発生する。
対策として、静電気が侵入してくる配線とグランド間に静電気対策部品を設け、静電気をバイパスさせＩＣに印加される高電圧を抑える方法が行われている。静電気対策部品は、通常の状態では高い抵抗値を有して電気を流さないが、静電気などの高圧が印加されると抵抗値が低くなり電気を流す特性を有する。このような特性を有する静電気対策部品としては、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ、ギャップ放電素子などが知られている。
特許文献１、２は従来の静電気対策部品であるギャップ放電素子を開示している。ギャップ放電素子は、空洞部を有するセラミック素体と、セラミック素体に埋設された一対の放電用電極と、放電用電極にそれぞれ接続された端子電極とを備える。放電用電極は空洞部を介して対向している。放電用電極間は通常はオープン状態であるが、静電気などの高電圧が印加されると空洞部内において放電用電極間で放電し電流が流れる。
ギャップ放電素子は、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ等の他の静電気対策部品と比較して寄生静電容量値が根本的に小さい。大きな寄生静電容量値を有する静電気対策部品が信号ラインに接続されると、信号が高い周波数を有する場合には信号品質を劣化させるので、静電気対策部品の寄生静電容量値は低い方が望ましい。したがって、ギャップ放電素子はそのような信号ラインに接続することができる。また、放電が起こる空洞部は空気であり何も存在しないので、高電圧の静電気が印加されてもセラミック素子が破壊されず、他の静電気対策部品と比較して有利である。
しかし、一対の放電用電極が所定の間隔を空けて空洞部を介して露出している。空洞部内の温度は静電気の放電時に瞬間的に２５００℃以上の高温に達することもある。静電気が連続して繰り返し印加されると放電用電極が溶けてショートする恐れがある。
特開平１−１０２８８４号公報 特開平１１−２６５８０８号公報
静電気対策部品は、内部に空洞部を有するセラミック素体と、空洞部を介して対向する２つの放電用電極とを備える。放電用電極はタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属よりなる。放電用電極でのタングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である。
この静電気対策部品は、高電圧の静電気を繰り返し放電用電極に印加してもショートの恐れが少なく、高い信頼性を有する。
図１Ａは本発明の実施の形態１における静電気対策部品の斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示す静電気対策部品の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。 図２Ａは実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図である。 図２Ｂは実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図である。 図２Ｃは実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図である。 図２Ｄは実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図である。 図２Ｅは実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図である。 図３Ａは実施の形態１における静電気対策部品の他の製造方法を示す平面図である。 図３Ｂは図３Ａに示す静電気対策部品の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。 図４は実施の形態１における静電気対策部品のさらに他の製造方法を示す断面図である。 図５は実施の形態１における静電気対策部品の静電放電試験の試験回路図である。 図６は実施の形態１における静電気対策部品の静電放電試験での電圧を示す。 図７は実施の形態１における静電気対策部品の放電用電極の材料を示す。 図８は実施の形態１における静電気対策部品を形成するための樹脂層の樹脂ペーストを示す。 図９は実施の形態１における静電気対策部品の空洞部のサイズと放電用電極が対向する面積を示す。 図１０Ａは実施の形態１における静電気対策部品の特性を示す。 図１０Ｂは実施の形態１における静電気対策部品の特性を示す。 図１１Ａは本発明の実施の形態２における静電気対策部品の特性を示す。 図１１Ｂは本発明の実施の形態２における静電気対策部品の特性を示す。 図１２は実施の形態２における静電気対策部品に印加される静電気パルスの電圧と抑制ピーク電圧の関係を示す。
符号の説明
１０１ セラミック素体
１０２ 空洞部
１０３ 放電用電極（第１の放電用電極）
１０４ 放電用電極（第２の放電用電極）
１０５ 端子電極（第１の端子電極）
１０６ 端子電極（第２の端子電極）
１１１ 静電気対策部品
３０１ グリーンシート（第１のグリーンシート）
３０２ 金属層（第１の金属層）
３０３ 樹脂層
３０３Ｃ 樹脂ビーズ
３０３Ｄ ペースト状樹脂
３０４ グリーンシート（第３のグリーンシート）
３０５ グリーンシート（第４のグリーンシート）
３０６ 金属層（第２の金属層）
３０７ グリーンシート（第２のグリーンシート）
３０８ 未焼結積層体
３１０ グリーンシート（第３のグリーンシート）
３１０Ｅ 開口部
３１１ 未焼結積層体
３１２ 未焼結積層体
（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における静電気対策部品１１１の斜視図である。図１Ｂは図１Ａに示す静電気対策部品１１１の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。静電気対策部品１１１は、セラミック素体１０１と、セラミック素体１０１に埋設された放電用電極１０３、１０４と、放電用電極１０３、１０４にそれぞれ接続された端子電極１０５、１０６とを備えている。端子電極１０５、１０６はセラミック素体１０１の互いに反対側の端部１０１Ａ、１０１Ｂにそれぞれ設けられている。セラミック素体１０１内には空洞部１０２が設けられている。放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２に露出し、空洞部１０２を介して所定の距離Ｄ１０１だけ離れて互いに対向している。すなわち、放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２を介して互いに対向している。
セラミック素体１０１は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうちから選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を主成分として含有するセラミック絶縁体よりなることが望ましい。これらの絶縁体は、比誘電率が１５以下と低く、放電用電極１０３、１０４間の寄生容量値を低減できる。
放電用電極１０３、１０４は、タングステンを８０重量パーセント以上含有する金属で形成されており、タングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が１．８原子％以下である。タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量は０原子％であることが好ましいが、現実では０原子％より大きい場合が多い。放電用電極１０３、１０４の互いに対向している部分１０３Ａ、１０４Ａの面積である対向面積は０．０１ｍｍ２以上で１．０ｍｍ２以下であり、放電用電極１０３、１０４の部分１０３Ａ、１０４Ａ間の距離Ｄ１０１は５μｍ以上で１６μｍ以下である。
次に、静電気対策部品１１１の製造方法について説明する。図２Ａから図２Ｅは静電気対策部品１１１の製造方法を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、セラミックペーストを用いてドクターブレード法により約５０μｍの厚みを有するセラミック絶縁体よりなるグリーンシート３０１を作製する。その後、図２Ａに示すように、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄを露出させるように、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｃ上に、導電性ペーストでスクリーン印刷により金属層３０２を形成する。
次に、図２Ｂに示すように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄを露出させるように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｃ上に、樹脂ペーストを塗布して樹脂層３０３を形成する。樹脂層３０３を形成する樹脂ペーストは、固形の樹脂ビーズ３０３Ｃと、ペースト状樹脂３０３Ｄよりなる。また、図２Ｂに示すように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄ上にセラミック絶縁体であるセラミックペーストよりなるグリーンシート３０４を形成し、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上にセラミック絶縁体であるセラミックペーストよりなるグリーンシート３０５を形成する。
次に、図２Ｃに示すように、グリーンシート３０４の上面３０４Ａを露出させるように、樹脂層３０３の上面３０３Ａ上とグリーンシート３０５の上面３０５Ａ上とに導電性ペーストでスクリーン印刷により金属層３０６を形成する。
次に、図２Ｄに示すように、グリーンシート３０４の上面３０４Ａ上と金属層３０６の上面３０６Ａ上とに、セラミック絶縁体であるセラミックペーストでグリーンシート３０７を形成し、未焼結積層体３０８を形成する。
次に、未焼結積層体３０８を切断して複数の個片に分離する。分離された未焼結積層体３０８の個片を、０．２体積％以上の水素を含有する窒素水素混合雰囲気中で焼成する。未焼結積層体３０８を焼成している間に、水素は金属層３０２、３０６の表面の酸化物を還元する。この焼成により、図２Ｅに示すように、グリーンシート３０１、３０４、３０５、３０７よりなるセラミック素体１０１と、金属層３０２、３０６よりなる放電用電極１０３、１０４とを備えた焼結積層体３０９が得られる。この焼成で樹脂層３０３が揮発して、セラミック素体１０１内の空洞部１０２を形成する。これにより、放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２に露出して所定の距離Ｄ１０１だけ離れて互いに対向する。焼成後に、セラミック素体１０１の外形寸法が１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍとなるようにグリーンシートを設計し、放電用電極１０３、１０４のセラミック素体１０１の互いに反対側の端部１０１Ａ、１０１Ｂに露出する。
最後に、図１Ｂに示すように、放電用電極１０３、１０４に接触するように、セラミック素体１０１の端部１０１Ａ、１０１Ｂに銅ペーストを塗布して８００℃の窒素雰囲気中で焼き付けて端子電極１０５、１０６を形成する。
上記製造方法において、グリーンシート３０１、３０７を形成するためのセラミックペーストは、前述のセラミック組成物の粉末とバインダ樹脂、可塑剤を溶剤によって混合して作製される。また、樹脂層３０３を形成するための樹脂ペーストは、固形の樹脂ビーズ３０３Ｃと、ペースト状樹脂３０３Ｄを混練して作製される。樹脂ビーズ３０３Ｃはアクリルビーズであり、ペースト状樹脂３０３Ｄはアクリル系樹脂である。アクリル系樹脂が他の樹脂と比較して低温で分解しやすいので、空洞部１０２周辺のセラミック素体１０１に欠陥が発生しにくい。アクリル系樹脂の代わりに、他の低温で分解しやすい樹脂で樹脂ペーストを形成してもよい。
金属層３０２、３０６を形成する導電性ペーストはタングステンを８０重量％以上含有する金属よりなる。
グリーンシート３０４、３０５を形成するセラミックペーストは、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストと同様に、セラミック組成物の粉末とバインダ樹脂と可塑剤と溶剤とを混合して作製される。ただし、グリーンシート３０４、３０５を形成するセラミックペーストのバインダ樹脂の含有率を、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストより大きくする。これにより、セラミック素体１を構成するグリーンシート３０１、３０４、３０５、３０７のデラミネーションを防止することができる。また、樹脂層３０３とグリーンシート３０４、３０５を形成する順序は特に限定されず、どの順序でも同じ効果を有する。
図３Ａは静電気対策部品１１１の他の製造方法を示す平面図と断面図であり、１枚のグリーンシート３１０を備えた未焼結積層体３１１を示す。図３Ｂは未焼結積層体３１１の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。図３Ａと図３Ｂにおいて、図２Ａから図２Ｅに示す部分と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。未焼結積層体３１１は、図２Ｄに示す未焼結積層体３０８のグリーンシート３０４、３０５の代わりにグリーンシート３１０を備える。グリーンシート３１０には樹脂層３０３が入る開口部３１０Ｅが形成されている。グリーンシート３１０はグリーンシート３０４、３０５と同じ材料よりなり、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄ上と、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上とに形成される。金属層３０６は樹脂層３０３の上面３０３Ａ上と、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄの真上方のグリーンシート３１０の上面３１０Ａの部分３１０Ｃ上とに形成される。グリーンシート３０７は、金属層３０６の上面３０６Ａ上と、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄの真上方のグリーンシート３１０の上面３１０Ａの部分３１０Ｄ上とに形成される。グリーンシート３１０を形成するセラミックペーストのバインダ樹脂の含有率を、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストより大きくする。これにより、セラミック素体１を構成するグリーンシート３０１、３０７、３１０のデラミネーションを防止することができる。
グリーンシート３０４、３０５が無い場合には、樹脂層３０３で段差が形成されて、金属層３０６を形成するための導電性ペーストを高精度にスクリーン印刷で塗布することができず、焼成後にセラミック素体１に欠陥が発生する場合がある。グリーンシート３０４、３０５によりその段差をなくすことができ、導電ペーストを高精度に塗布して金属層３０６を形成することができる。図４は静電気対策部品１１１のさらに他の製造方法を示す断面図であり、実施の形態１における他の未焼結積層体３１２を示す。図４において、図２Ａから図２Ｅに示す部分と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。空洞部１０２が薄く、空洞部１０２を形成するための樹脂層３０３が薄い場合には、グリーンシート３０４、３０５を形成する必要は無い。この場合には、金属層３０６は樹脂層３０３の上面３０３Ａ上とグリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上とに形成され、グリーンシート３０７は金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｃ上と金属層３０６の上面３０６Ａ上とに形成される。
次に、静電気対策部品１１１のサンプルを作製し、それらのサンプルに対してＩＥＣ−６１００−４−２規格（４〜２０ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ω）で静電気放電試験を行った。図５は静電気対策部品の静電気放電試験の試験回路である。デジタルオシロスコープ１１３は静電気対策部品１１１と並列に接続されている。静電気放電ガン１１２から静電気パルスを静電気対策部品１１１に直接印加した。その静電気パルスにより静電気対策部品１１１の空洞部１０２を介して放電用電極１０３、１０４間で放電して導通する、すなわち動作すると、静電気による電流の大部分はグランドへ流れる。放電用電極１０３、１０４間で放電して導通する電圧が静電気対策部品１１１の放電開始電圧である。デジタルオシロスコープ１１３により、静電気対策部品１１１で抑制された電圧を観測できる。観測した電圧を図６に示す。静電気パルスが印加される直後には高いピーク電圧が観測され、その後すぐに電圧は減衰する。このピーク電圧が抑制ピーク電圧である。すなわち、静電気対策部品１１１は印加された静電気パルスの電圧を抑制ピーク電圧に抑制している。抑制ピーク電圧が低いほど静電気対策部品は放電しやすく、優れている。
放電用電極１０３、１０４の表面の状態を評価するために、セラミック素体１０１の上面から放電用電極１０３、１０４の表面が露出するよう研磨した。Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析法を用いて、露出した放電用電極１０３、１０４の表面をＸ線源Ａｌ−Ｋα、光電子取出角４５゜、分析領域１００μｍφ、電圧２５．９Ｗの条件で測定し、放電用電極１０３、１０４の表面において、酸素が結合しているタングステンの量と酸素が結合していないタングステンの量を検出し、検出したそれらの量からタングステンの酸化物の量を算出した。
また、上述の静電気放電試験を８ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ωの条件で行い、静電気パルスを１０００回まで繰り返して印加し、静電気対策部品１１１の絶縁抵抗値の変化を測定した。
図７は、静電気対策部品１１１のサンプルの金属層３０２、３０６（放電用電極１０３、１０４）の材料Ｍ１〜Ｍ５を示す。図８は、静電気対策部品１１１のサンプルの空洞部１０２を形成するための樹脂層３０３の樹脂ペーストＲ１〜Ｒ９の樹脂ビーズの直径と含有率を示す。樹脂ビーズはアクリルよりなる。図９は、静電気対策部品１１１のサンプルの空洞部１０２の長さと幅と、放電用電極１０３、１０４が対向する面積Ｓ１０１の組み合わせＰ１〜Ｐ５を示す。図１０は、図７〜図９に示す放電用電極１０３、１０４と樹脂ペーストで形成されたサンプルの特性を示す。
図１０は各サンプルでの、未焼結積層体３０８を焼成する焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４と、空洞部１０２の高さすなわち放電用電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１（μｍ）と、放電用電極１０３、１０４間の静電容量値Ｃ１０１（ｐＦ）と、印加された静電気パルスの電圧Ｖｐ（ｋＶ）に対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋ（Ｖ）と、放電用電極１０３、１０４の表面の金属酸化物の量Ａ１０１（原子％）と、静電気放電（ＥＳＤ）の回数に対する放電用電極１０３、１０４間の絶縁抵抗Ｒ１０１（Ω）とを示す。絶縁抵抗Ｒ１０１での「ＳＣ」は放電用電極１０３、１０４間のショートを示す。サンプルの未焼結積層体３０８を焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４において、１２５０℃、２時間保持し焼成した。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素１００体積％、水素０％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０２は窒素９９．９体積％、水素０．１体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０３は窒素９９．８体積％、水素０．２体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素９９．０体積％、水素１．０体積％である。
サンプル１〜４は焼成雰囲気のみが互いに異なる。窒素１００％、水素０％の焼成雰囲気ＡＴＭ１０１で焼成したサンプル１は、電極１０３、１０４間でＥＳＤは発生するものの、電極１０３、１０４の表面において、酸素と結合したタングステンの量がタングステンの全量に対して６原子％も存在している。電極１０３、１０４の表面に酸化物が存在していると、表面での抵抗値が大きくなりＥＳＤが発生しにくくなる。したがって、サンプル１の放電開始電圧は８ｋＶと高く、高電圧の静電気印加に対する抑制ピーク電圧が非常に高い。水素０．２体積％以上の焼成雰囲気で焼成されたサンプル３、４では、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回るようになり、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。焼成雰囲気の水素の濃度が大きい場合には、セラミック素体組成物が焼成時に還元されて絶縁性を失って半導体化する。そのセラミック組成物の種類や焼成温度によって焼成雰囲気中での水素の濃度の上限は変化するので、その上限は適宜決定する。
サンプル５〜８は放電用電極１０３、１０４の材料のみが互いに異なる。タングステンに銅を混合すると両者は合金化し、電極１０３、１０４の導電率の向上とともに融点は低下する。放電用電極１０３、１０４を構成する金属中のタングステン量が８０重量％以上であるサンプル５、６では、ＥＳＤを１０００回繰り返しても電極１０３、１０４間がショートしない。タングステン７０重量％の電極１０３、１０４を有するサンプル７ではＥＳＤを５００回繰り返すとショートした。白金よりなる電極１０３、１０４を有するサンプル８ではわずか５０回のＥＳＤで電極１０３、１０４間がショートしている。ＥＳＤの際に空洞部１０２や電極１０３、１０４の温度は２５００〜３０００℃にまで上昇する。放電用電極１０３、１０４の融点がこの温度以上であれば、ＥＳＤを繰り返しても電極１０３、１０４はショートしない。
サンプル９〜１２は放電用電極１０３、１０４が対向する対向面積Ｓ１０１のみが互いに異なる。対向面積Ｓ１０１が大きいサンプルではＥＳＤの繰り返しにより絶縁抵抗値が低下し、対向面積Ｓ１０１が小さいサンプルでは抑制ピーク電圧、放電開始電圧が高い。
対向面積Ｓ１０１が１．０ｍｍ２より大きいサンプル１１では、ＥＳＤを１０００回繰り返した後の絶縁抵抗値が１０６Ω台と、ショートはしないものの低くなるので、対向面積Ｓ１０１は１．０ｍｍ２以下であることが好ましい。また対向面積Ｓ１０１が０．０１ｍｍ２よりも小さいサンプル１２では４ｋＶの静電気でＥＳＤが発生しないので、対向面積Ｓ１０１は０．０１ｍｍ２以上が好ましい。
サンプル１３〜２０は空洞部１０２を形成する樹脂ペーストが異なる。樹脂ペースト中の樹脂ビーズの直径と含有率が変わると空洞部１０２の高さすなわち電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１が変わる。距離Ｄ１０１が小さくなると、ＥＳＤの繰り返しによって絶縁抵抗値が低下する。距離Ｄ１０１が５μｍより小さいサンプル１３、１４では電極１０３、１０４間でショートはしないものの絶縁抵抗値は１×１０５Ω〜１×１０８Ωと低くなる。一方、距離Ｄ１０１が大きくなると、ＥＳＤが起こりにくくなり、抑制ピーク電圧が高くなる。距離Ｄ１０１が２０μｍを超えるサンプル１９、２０の抑制ピーク電圧は６ｋＶの静電気に対して９００Ｖ以上と高くなる。空洞部１０２の高さ、すなわち電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１は５〜２０μｍの範囲が好ましい。距離Ｄ１０１が１６μｍを超える２０μｍであるサンプル１８では、抑制ピーク電圧は低いものの、４ｋＶの静電気ではＥＳＤが発生しない。したがって、電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１は５〜１６μｍの範囲がより好ましい。
なお、抑制ピーク電圧をさらに低くするために、セラミック素体１０１に別の回路を形成しても良い。例えば、セラミック素体１０１にファインラインをパターニングしインダクタを形成しても良い。また、セラミック素体１０１の表面に抵抗ペーストを塗布、印刷することにより抵抗を形成してもよい。
未焼結積層体３０８を焼成する際の焼成雰囲気に含まれる水素は、放電用電極１０３、１０４の表面の酸化物を還元する。水素の代わりに、焼成雰囲気は放電用電極１０３、１０４（金属層３０２、３０６）の表面の酸化物を還元する一酸化炭素や亜硫酸ガス等の他の還元性ガスを含有してもよい。
（実施の形態２）
実施の形態２における静電気対策部品は、図１Ａと図１Ｂに示す実施の形態１における静電気対策部品１１１と同じ構造を有する。実施の形態２における静電気対策部品では、放電用電極１０３、１０４はタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属で形成されており、タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である。タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量は０原子％であることが好ましいが、現実では０原子％より大きい場合が多い。
実施の形態２における静電気対策部品は、図２Ａ〜図２Ｅに示す実施の形態１における静電気対策部品１１１の製造方法により製造できる。実施の形態２における静電気対策部品では、図２Ｄに示す未焼結積層体３０８は金属層３０２、３０６の表面の酸化物を還元する還元性ガスを含有する窒素雰囲気で焼成される。実施の形態２では還元性ガスとして水素を用いるが、他の還元性ガスを用いてもよい。
焼成後に、セラミック素体１０１の外形寸法が２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．８ｍｍとなるようにグリーンシートが設計されている。
次に、実施の形態２における静電気対策部品のサンプルを作製し、実施の形態１と同様に、図５に示す静電試験回路で、それらのサンプルに対してＩＥＣ−６１００−４−２規格（４〜２０ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ω）で静電気放電試験を行った。また、実施の形態１と同様に、放電用電極１０３、１０４の表面において、酸素が結合しているタングステンの量と酸素が結合していないタングステンの量を検出し、検出したそれらの量からタングステンの酸化物の量を算出した。
また、上述の静電気放電試験を８ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ωの条件で行い、静電気パルスを１０００回まで繰り返して印加し、実施の形態２における静電気対策部品の絶縁抵抗値の変化を測定した。
図１１は、図７に示す材料Ｍ１〜Ｍ５で形成されて、互いに異なる焼成雰囲気中で焼成された焼結積層体３０９を備えた実施の形態２における静電気対策部品のサンプルの特性を示す。
図１１は各サンプルでの、未焼結積層体３０８を焼成する焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４と、電極１０３、１０４が対向する対向面積Ｓ１０１（ｍｍ２）と、空洞部１０２の高さすなわち放電用電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１（μｍ）と、放電用電極１０３、１０４間の静電容量値Ｃ１０１（ｐＦ）と、印加された静電気パルスの電圧Ｖｐ（ｋＶ）に対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋ（Ｖ）と、放電用電極１０３、１０４の表面の金属酸化物の量Ａ１０１（原子％）と、静電気放電（ＥＳＤ）の回数に対する放電用電極１０３、１０４間の絶縁抵抗Ｒ１０１（Ω）を示す。絶縁抵抗Ｒ１０１での「ＳＣ」は放電用電極１０３、１０４間のショートを示す。サンプルの未焼結積層体３０８を焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４において、１２５０℃、２時間保持し焼成した。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素１００体積％、水素０％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０２は窒素９９．９体積％、水素０．１体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０３は窒素９９．８体積％、水素０．２体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素９９．０体積％、水素１．０体積％である。
サンプル２１〜２４は焼成雰囲気のみが互いに異なる。窒素１００％、水素０％の焼成雰囲気ＡＴＭ１０１で焼成したサンプル２１は、電極１０３、１０４間でＥＳＤは発生するものの、電極１０３、１０４の表面において、酸素と結合したタングステンの量がタングステンの全量に対して６原子％も存在している。Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析法では、電極１０３、１０４の表面からわずか数ｎｍの厚みの部分を分析しているに過ぎないので、電極全体の電気抵抗値にはほとんど影響しない。電極１０３、１０４の表面に酸化物が存在していると、表面での抵抗値が大きくなりＥＳＤが発生しにくくなる。したがって、サンプル２１の放電開始電圧は１５ｋＶと高く、高電圧の静電気印加に対する抑制ピーク電圧が非常に高い。水素０．２体積％以上の焼成雰囲気で焼成されたサンプル２３、２４では、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回るようになり、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。焼成雰囲気の水素の濃度の上限はセラミックが焼成時に還元されない濃度であれば良く、特に限定しない。
サンプル２５〜２８は１．０ｍｍ２の大きな対向面積を有すること以外にはサンプル２１〜２４とそれぞれ同じである。サンプル２５〜２８でも、サンプル２１〜２４と同様に、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回ると、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。
サンプル２９〜３２は放電用電極１０３、１０４の材料のみが互いに異なる。タングステンに銅を混合すると両者は合金化し、電極１０３、１０４の導電率の向上とともに融点は低下する。放電用電極１０３、１０４を構成する金属中のタングステン量が８０重量％以上であるサンプル２９、３０では、ＥＳＤを１０００回繰り返しても電極１０３、１０４間がショートしない。タングステン７０重量％の電極１０３、１０４を有するサンプル３１ではＥＳＤを５００回繰り返すとショートした。白金よりなる電極１０３、１０４を有するサンプル３２ではわずか５０回のＥＳＤで電極１０３、１０４間がショートしている。ＥＳＤの際に空洞部１０２や電極１０３、１０４の温度は２５００〜３０００℃にまで上昇する。放電用電極１０３、１０４の融点がこの温度以上であれば、ＥＳＤを繰り返しても電極１０３、１０４はショートしない。
図１２は、サンプル２１〜２４に印加された静電気パルスの電圧Ｖｐに対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋを示す。図１２に示すように、放電用電極１０３、１０４の表面をＸＰＳ分析法で測定した、酸素が結合しているタングステンの割合によって、放電開始電圧と抑制ピーク電圧が変わる。図１２に示すように、酸素と結合したタングステンの量がそれぞれ２．０原子％、１．２原子％であるサンプル２３、２４が低い放電開始電圧と低い抑制ピーク電圧を示した。電極１０３、１０４の表面での酸化物の前述の作用を考慮すると、酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下であれば、静電気対策部品は同様な効果を有すると考えられる。
なお、実施の形態１、２において、「上面」「真上方」等の方向を示す用語はグリーンシートや金属層や樹脂層等の静電気対策部品の構成部材の位置に依存する相対的な方向を示し、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。
本発明による静電気対策部品は、高電圧の静電気を繰り返し放電用電極に印加してもショートの恐れが少なく、高い信頼性を有するので、静電気対策が要求される各種機器、デバイスに有用である。
本発明は、静電気を吸収するための静電気対策部品に関する。
近年、携帯電話など電子機器の小型化、高性能化の要望に応えるため、ＩＣのさらなる微細化、高集積化が進んでいるが、一方で耐電圧が低下している。人体と電子機器の端子などが接触したときに発生する静電気放電サージのようにエネルギの小さいサージでも、ＩＣの破壊や誤動作が発生する。
対策として、静電気が侵入してくる配線とグランド間に静電気対策部品を設け、静電気をバイパスさせＩＣに印加される高電圧を抑える方法が行われている。静電気対策部品は、通常の状態では高い抵抗値を有して電気を流さないが、静電気などの高圧が印加されると抵抗値が低くなり電気を流す特性を有する。このような特性を有する静電気対策部品としては、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ、ギャップ放電素子などが知られている。
特許文献１、２は従来の静電気対策部品であるギャップ放電素子を開示している。ギャップ放電素子は、空洞部を有するセラミック素体と、セラミック素体に埋設された一対の放電用電極と、放電用電極にそれぞれ接続された端子電極とを備える。放電用電極は空洞部を介して対向している。放電用電極間は通常はオープン状態であるが、静電気などの高電圧が印加されると空洞部内において放電用電極間で放電し電流が流れる。
ギャップ放電素子は、ツェナーダイオード、積層チップバリスタ等の他の静電気対策部品と比較して寄生静電容量値が根本的に小さい。大きな寄生静電容量値を有する静電気対策部品が信号ラインに接続されると、信号が高い周波数を有する場合には信号品質を劣化させるので、静電気対策部品の寄生静電容量値は低い方が望ましい。したがって、ギャップ放電素子はそのような信号ラインに接続することができる。また、放電が起こる空洞部は空気であり何も存在しないので、高電圧の静電気が印加されてもセラミック素子が破壊されず、他の静電気対策部品と比較して有利である。
しかし、一対の放電用電極が所定の間隔を空けて空洞部を介して露出している。空洞部内の温度は静電気の放電時に瞬間的に２５００℃以上の高温に達することもある。静電気が連続して繰り返し印加されると放電用電極が溶けてショートする恐れがある。
特開平１−１０２８８４号公報 特開平１１−２６５８０８号公報
静電気対策部品は、内部に空洞部を有するセラミック素体と、空洞部を介して対向する２つの放電用電極とを備える。放電用電極はタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属よりなる。放電用電極でのタングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である。
この静電気対策部品は、高電圧の静電気を繰り返し放電用電極に印加してもショートの恐れが少なく、高い信頼性を有する。
本発明の実施の形態１における静電気対策部品の斜視図 図１Ａに示す静電気対策部品の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図 実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の他の製造方法を示す平面図 図３Ａに示す静電気対策部品の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図 実施の形態１における静電気対策部品のさらに他の製造方法を示す断面図 実施の形態１における静電気対策部品の静電放電試験の試験回路図 実施の形態１における静電気対策部品の静電放電試験での電圧を示す図 実施の形態１における静電気対策部品の放電用電極の材料を示す図 実施の形態１における静電気対策部品を形成するための樹脂層の樹脂ペーストを示す図 実施の形態１における静電気対策部品の空洞部のサイズと放電用電極が対向する面積を示す図 実施の形態１における静電気対策部品の特性を示す図 実施の形態１における静電気対策部品の特性を示す図 本発明の実施の形態２における静電気対策部品の特性を示す図 本発明の実施の形態２における静電気対策部品の特性を示す図 実施の形態２における静電気対策部品に印加される静電気パルスの電圧と抑制ピーク電圧の関係を示す図
（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における静電気対策部品１１１の斜視図である。図１Ｂは図１Ａに示す静電気対策部品１１１の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。静電気対策部品１１１は、セラミック素体１０１と、セラミック素体１０１に埋設された放電用電極１０３、１０４と、放電用電極１０３、１０４にそれぞれ接続された端子電極１０５、１０６とを備えている。端子電極１０５、１０６はセラミック素体１０１の互いに反対側の端部１０１Ａ、１０１Ｂにそれぞれ設けられている。セラミック素体１０１内には空洞部１０２が設けられている。放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２に露出し、空洞部１０２を介して所定の距離Ｄ１０１だけ離れて互いに対向している。すなわち、放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２を介して互いに対向している。
セラミック素体１０１は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうちから選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を主成分として含有するセラミック絶縁体よりなることが望ましい。これらの絶縁体は、比誘電率が１５以下と低く、放電用電極１０３、１０４間の寄生容量値を低減できる。
放電用電極１０３、１０４は、タングステンを８０重量パーセント以上含有する金属で形成されており、タングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が１．８原子％以下である。タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量は０原子％であることが好ましいが、現実では０原子％より大きい場合が多い。放電用電極１０３、１０４の互いに対向している部分１０３Ａ、１０４Ａの面積である対向面積は０．０１ｍｍ２以上で１．０ｍｍ２以下であり、放電用電極１０３、１０４の部分１０３Ａ、１０４Ａ間の距離Ｄ１０１は５μｍ以上で１６μｍ以下である。
次に、静電気対策部品１１１の製造方法について説明する。図２Ａから図２Ｅは静電気対策部品１１１の製造方法を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、セラミックペーストを用いてドクターブレード法により約５０μｍの厚みを有するセラミック絶縁体よりなるグリーンシート３０１を作製する。その後、図２Ａに示すように、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄを露出させるように、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｃ上に、導電性ペーストでスクリーン印刷により金属層３０２を形成する。
次に、図２Ｂに示すように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄを露出させるように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｃ上に、樹脂ペーストを塗布して樹脂層３０３を形成する。樹脂層３０３を形成する樹脂ペーストは、固形の樹脂ビーズ３０３Ｃと、ペースト状樹脂３０３Ｄよりなる。また、図２Ｂに示すように、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄ上にセラミック絶縁体であるセラミックペーストよりなるグリーンシート３０４を形成し、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上にセラミック絶縁体であるセラミックペーストよりなるグリーンシート３０５を形成する。
次に、図２Ｃに示すように、グリーンシート３０４の上面３０４Ａを露出させるように、樹脂層３０３の上面３０３Ａ上とグリーンシート３０５の上面３０５Ａ上とに導電性ペーストでスクリーン印刷により金属層３０６を形成する。
次に、図２Ｄに示すように、グリーンシート３０４の上面３０４Ａ上と金属層３０６の上面３０６Ａ上とに、セラミック絶縁体であるセラミックペーストでグリーンシート３０７を形成し、未焼結積層体３０８を形成する。
次に、未焼結積層体３０８を切断して複数の個片に分離する。分離された未焼結積層体３０８の個片を、０．２体積％以上の水素を含有する窒素水素混合雰囲気中で焼成する。未焼結積層体３０８を焼成している間に、水素は金属層３０２、３０６の表面の酸化物を還元する。この焼成により、図２Ｅに示すように、グリーンシート３０１、３０４、３０５、３０７よりなるセラミック素体１０１と、金属層３０２、３０６よりなる放電用電極１０３、１０４とを備えた焼結積層体３０９が得られる。この焼成で樹脂層３０３が揮発して、セラミック素体１０１内の空洞部１０２を形成する。これにより、放電用電極１０３、１０４は空洞部１０２に露出して所定の距離Ｄ１０１だけ離れて互いに対向する。焼成後に、セラミック素体１０１の外形寸法が１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍとなるようにグリーンシートを設計し、放電用電極１０３、１０４のセラミック素体１０１の互いに反対側の端部１０１Ａ、１０１Ｂに露出する。
最後に、図１Ｂに示すように、放電用電極１０３、１０４に接触するように、セラミック素体１０１の端部１０１Ａ、１０１Ｂに銅ペーストを塗布して８００℃の窒素雰囲気中で焼き付けて端子電極１０５、１０６を形成する。
上記製造方法において、グリーンシート３０１、３０７を形成するためのセラミックペーストは、前述のセラミック組成物の粉末とバインダ樹脂、可塑剤を溶剤によって混合して作製される。また、樹脂層３０３を形成するための樹脂ペーストは、固形の樹脂ビーズ３０３Ｃと、ペースト状樹脂３０３Ｄを混練して作製される。樹脂ビーズ３０３Ｃはアクリルビーズであり、ペースト状樹脂３０３Ｄはアクリル系樹脂である。アクリル系樹脂が他の樹脂と比較して低温で分解しやすいので、空洞部１０２周辺のセラミック素体１０１に欠陥が発生しにくい。アクリル系樹脂の代わりに、他の低温で分解しやすい樹脂で樹脂ペーストを形成してもよい。
金属層３０２、３０６を形成する導電性ペーストはタングステンを８０重量％以上含有する金属よりなる。
グリーンシート３０４、３０５を形成するセラミックペーストは、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストと同様に、セラミック組成物の粉末とバインダ樹脂と可塑剤と溶剤とを混合して作製される。ただし、グリーンシート３０４、３０５を形成するセラミックペーストのバインダ樹脂の含有率を、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストより大きくする。これにより、セラミック素体１を構成するグリーンシート３０１、３０４、３０５、３０７のデラミネーションを防止することができる。また、樹脂層３０３とグリーンシート３０４、３０５を形成する順序は特に限定されず、どの順序でも同じ効果を有する。
図３Ａは静電気対策部品１１１の他の製造方法を示す平面図と断面図であり、１枚のグリーンシート３１０を備えた未焼結積層体３１１を示す。図３Ｂは未焼結積層体３１１の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。図３Ａと図３Ｂにおいて、図２Ａから図２Ｅに示す部分と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。未焼結積層体３１１は、図２Ｄに示す未焼結積層体３０８のグリーンシート３０４、３０５の代わりにグリーンシート３１０を備える。グリーンシート３１０には樹脂層３０３が入る開口部３１０Ｅが形成されている。グリーンシート３１０はグリーンシート３０４、３０５と同じ材料よりなり、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄ上と、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上とに形成される。金属層３０６は樹脂層３０３の上面３０３Ａ上と、グリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄの真上方のグリーンシート３１０の上面３１０Ａの部分３１０Ｃ上とに形成される。グリーンシート３０７は、金属層３０６の上面３０６Ａ上と、金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｄの真上方のグリーンシート３１０の上面３１０Ａの部分３１０Ｄ上とに形成される。グリーンシート３１０を形成するセラミックペーストのバインダ樹脂の含有率を、グリーンシート３０１、３０７を形成するセラミックペーストより大きくする。これにより、セラミック素体１を構成するグリーンシート３０１、３０７、３１０のデラミネーションを防止することができる。
グリーンシート３０４、３０５が無い場合には、樹脂層３０３で段差が形成されて、金属層３０６を形成するための導電性ペーストを高精度にスクリーン印刷で塗布することができず、焼成後にセラミック素体１に欠陥が発生する場合がある。グリーンシート３０４、３０５によりその段差をなくすことができ、導電ペーストを高精度に塗布して金属層３０６を形成することができる。図４は静電気対策部品１１１のさらに他の製造方法を示す断面図であり、実施の形態１における他の未焼結積層体３１２を示す。図４において、図２Ａから図２Ｅに示す部分と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。空洞部１０２が薄く、空洞部１０２を形成するための樹脂層３０３が薄い場合には、グリーンシート３０４、３０５を形成する必要は無い。この場合には、金属層３０６は樹脂層３０３の上面３０３Ａ上とグリーンシート３０１の上面３０１Ａの部分３０１Ｄ上とに形成され、グリーンシート３０７は金属層３０２の上面３０２Ａの部分３０２Ｃ上と金属層３０６の上面３０６Ａ上とに形成される。
次に、静電気対策部品１１１のサンプルを作製し、それらのサンプルに対してＩＥＣ−６１００−４−２規格（４〜２０ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ω）で静電気放電試験を行った。図５は静電気対策部品の静電気放電試験の試験回路である。デジタルオシロスコープ１１３は静電気対策部品１１１と並列に接続されている。静電気放電ガン１１２から静電気パルスを静電気対策部品１１１に直接印加した。その静電気パルスにより静電気対策部品１１１の空洞部１０２を介して放電用電極１０３、１０４間で放電して導通する、すなわち動作すると、静電気による電流の大部分はグランドへ流れる。放電用電極１０３、１０４間で放電して導通する電圧が静電気対策部品１１１の放電開始電圧である。デジタルオシロスコープ１１３により、静電気対策部品１１１で抑制された電圧を観測できる。観測した電圧を図６に示す。静電気パルスが印加される直後には高いピーク電圧が観測され、その後すぐに電圧は減衰する。このピーク電圧が抑制ピーク電圧である。すなわち、静電気対策部品１１１は印加された静電気パルスの電圧を抑制ピーク電圧に抑制している。抑制ピーク電圧が低いほど静電気対策部品は放電しやすく、優れている。
放電用電極１０３、１０４の表面の状態を評価するために、セラミック素体１０１の上面から放電用電極１０３、１０４の表面が露出するよう研磨した。Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析法を用いて、露出した放電用電極１０３、１０４の表面をＸ線源Ａｌ−Ｋα、光電子取出角４５゜、分析領域１００μｍφ、電圧２５．９Ｗの条件で測定し、放電用電極１０３、１０４の表面において、酸素が結合しているタングステンの量と酸素が結合していないタングステンの量を検出し、検出したそれらの量からタングステンの酸化物の量を算出した。
また、上述の静電気放電試験を８ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ωの条件で行い、静電気パルスを１０００回まで繰り返して印加し、静電気対策部品１１１の絶縁抵抗値の変化を測定した。
図７は、静電気対策部品１１１のサンプルの金属層３０２、３０６（放電用電極１０３、１０４）の材料Ｍ１〜Ｍ５を示す。図８は、静電気対策部品１１１のサンプルの空洞部１０２を形成するための樹脂層３０３の樹脂ペーストＲ１〜Ｒ９の樹脂ビーズの直径と含有率を示す。樹脂ビーズはアクリルよりなる。図９は、静電気対策部品１１１のサンプルの空洞部１０２の長さと幅と、放電用電極１０３、１０４が対向する面積Ｓ１０１の組み合わせＰ１〜Ｐ５を示す。図１０は、図７〜図９に示す放電用電極１０３、１０４と樹脂ペーストで形成されたサンプルの特性を示す。
図１０は各サンプルでの、未焼結積層体３０８を焼成する焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４と、空洞部１０２の高さすなわち放電用電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１（μｍ）と、放電用電極１０３、１０４間の静電容量値Ｃ１０１（ｐＦ）と、印加された静電気パルスの電圧Ｖｐ（ｋＶ）に対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋ（Ｖ）と、放電用電極１０３、１０４の表面の金属酸化物の量Ａ１０１（原子％）と、静電気放電（ＥＳＤ）の回数に対する放電用電極１０３、１０４間の絶縁抵抗Ｒ１０１（Ω）とを示す。絶縁抵抗Ｒ１０１での「ＳＣ」は放電用電極１０３、１０４間のショートを示す。サンプルの未焼結積層体３０８を焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４において、１２５０℃、２時間保持し焼成した。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素１００体積％、水素０％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０２は窒素９９．９体積％、水素０．１体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０３は窒素９９．８体積％、水素０．２体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素９９．０体積％、水素１．０体積％である。
サンプル１〜４は焼成雰囲気のみが互いに異なる。窒素１００％、水素０％の焼成雰囲気ＡＴＭ１０１で焼成したサンプル１は、電極１０３、１０４間でＥＳＤは発生するものの、電極１０３、１０４の表面において、酸素と結合したタングステンの量がタングステンの全量に対して６原子％も存在している。電極１０３、１０４の表面に酸化物が存在していると、表面での抵抗値が大きくなりＥＳＤが発生しにくくなる。したがって、サンプル１の放電開始電圧は８ｋＶと高く、高電圧の静電気印加に対する抑制ピーク電圧が非常に高い。水素０．２体積％以上の焼成雰囲気で焼成されたサンプル３、４では、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回るようになり、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。焼成雰囲気の水素の濃度が大きい場合には、セラミック素体組成物が焼成時に還元されて絶縁性を失って半導体化する。そのセラミック組成物の種類や焼成温度によって焼成雰囲気中での水素の濃度の上限は変化するので、その上限は適宜決定する。
サンプル５〜８は放電用電極１０３、１０４の材料のみが互いに異なる。タングステンに銅を混合すると両者は合金化し、電極１０３、１０４の導電率の向上とともに融点は低下する。放電用電極１０３、１０４を構成する金属中のタングステン量が８０重量％以上であるサンプル５、６では、ＥＳＤを１０００回繰り返しても電極１０３、１０４間がショートしない。タングステン７０重量％の電極１０３、１０４を有するサンプル７ではＥＳＤを５００回繰り返すとショートした。白金よりなる電極１０３、１０４を有するサンプル８ではわずか５０回のＥＳＤで電極１０３、１０４間がショートしている。ＥＳＤの際に空洞部１０２や電極１０３、１０４の温度は２５００〜３０００℃にまで上昇する。放電用電極１０３、１０４の融点がこの温度以上であれば、ＥＳＤを繰り返しても電極１０３、１０４はショートしない。
サンプル９〜１２は放電用電極１０３、１０４が対向する対向面積Ｓ１０１のみが互いに異なる。対向面積Ｓ１０１が大きいサンプルではＥＳＤの繰り返しにより絶縁抵抗値が低下し、対向面積Ｓ１０１が小さいサンプルでは抑制ピーク電圧、放電開始電圧が高い。
対向面積Ｓ１０１が１．０ｍｍ２より大きいサンプル１１では、ＥＳＤを１０００回繰り返した後の絶縁抵抗値が１０６Ω台と、ショートはしないものの低くなるので、対向面積Ｓ１０１は１．０ｍｍ２以下であることが好ましい。また対向面積Ｓ１０１が０．０１ｍｍ２よりも小さいサンプル１２では４ｋＶの静電気でＥＳＤが発生しないので、対向面積Ｓ１０１は０．０１ｍｍ２以上が好ましい。
サンプル１３〜２０は空洞部１０２を形成する樹脂ペーストが異なる。樹脂ペースト中の樹脂ビーズの直径と含有率が変わると空洞部１０２の高さすなわち電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１が変わる。距離Ｄ１０１が小さくなると、ＥＳＤの繰り返しによって絶縁抵抗値が低下する。距離Ｄ１０１が５μｍより小さいサンプル１３、１４では電極１０３、１０４間でショートはしないものの絶縁抵抗値は１×１０５Ω〜１×１０８Ωと低くなる。一方、距離Ｄ１０１が大きくなると、ＥＳＤが起こりにくくなり、抑制ピーク電圧が高くなる。距離Ｄ１０１が２０μｍを超えるサンプル１９、２０の抑制ピーク電圧は６ｋＶの静電気に対して９００Ｖ以上と高くなる。空洞部１０２の高さ、すなわち電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１は５〜２０μｍの範囲が好ましい。距離Ｄ１０１が１６μｍを超える２０μｍであるサンプル１８では、抑制ピーク電圧は低いものの、４ｋＶの静電気ではＥＳＤが発生しない。したがって、電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１は５〜１６μｍの範囲がより好ましい。
なお、抑制ピーク電圧をさらに低くするために、セラミック素体１０１に別の回路を形成しても良い。例えば、セラミック素体１０１にファインラインをパターニングしインダクタを形成しても良い。また、セラミック素体１０１の表面に抵抗ペーストを塗布、印刷することにより抵抗を形成してもよい。
未焼結積層体３０８を焼成する際の焼成雰囲気に含まれる水素は、放電用電極１０３、１０４の表面の酸化物を還元する。水素の代わりに、焼成雰囲気は放電用電極１０３、１０４（金属層３０２、３０６）の表面の酸化物を還元する一酸化炭素や亜硫酸ガス等の他の還元性ガスを含有してもよい。
（実施の形態２）
実施の形態２における静電気対策部品は、図１Ａと図１Ｂに示す実施の形態１における静電気対策部品１１１と同じ構造を有する。実施の形態２における静電気対策部品では、放電用電極１０３、１０４はタングステンを８０重量パーセント以上含有する金属で形成されており、タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である。タングステンの全量に対する酸素と結合したタングステンの量は０原子％であることが好ましいが、現実では０原子％より大きい場合が多い。
実施の形態２における静電気対策部品は、図２Ａ〜図２Ｅに示す実施の形態１における静電気対策部品１１１の製造方法により製造できる。実施の形態２における静電気対策部品では、図２Ｄに示す未焼結積層体３０８は金属層３０２、３０６の表面の酸化物を還元する還元性ガスを含有する窒素雰囲気で焼成される。実施の形態２では還元性ガスとして水素を用いるが、他の還元性ガスを用いてもよい。
焼成後に、セラミック素体１０１の外形寸法が２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．８ｍｍとなるようにグリーンシートが設計されている。
次に、実施の形態２における静電気対策部品のサンプルを作製し、実施の形態１と同様に、図５に示す静電試験回路で、それらのサンプルに対してＩＥＣ−６１００−４−２規格（４〜２０ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ω）で静電気放電試験を行った。また、実施の形態１と同様に、放電用電極１０３、１０４の表面において、酸素が結合しているタングステンの量と酸素が結合していないタングステンの量を検出し、検出したそれらの量からタングステンの酸化物の量を算出した。
また、上述の静電気放電試験を８ｋＶ−１５０ｐＦ−３３０Ωの条件で行い、静電気パルスを１０００回まで繰り返して印加し、実施の形態２における静電気対策部品の絶縁抵抗値の変化を測定した。
図１１は、図７に示す材料Ｍ１〜Ｍ５で形成されて、互いに異なる焼成雰囲気中で焼成された焼結積層体３０９を備えた実施の形態２における静電気対策部品のサンプルの特性を示す。
図１１は各サンプルでの、未焼結積層体３０８を焼成する焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４と、電極１０３、１０４が対向する対向面積Ｓ１０１（ｍｍ２）と、空洞部１０２の高さすなわち放電用電極１０３、１０４間の距離Ｄ１０１（μｍ）と、放電用電極１０３、１０４間の静電容量値Ｃ１０１（ｐＦ）と、印加された静電気パルスの電圧Ｖｐ（ｋＶ）に対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋ（Ｖ）と、放電用電極１０３、１０４の表面の金属酸化物の量Ａ１０１（原子％）と、静電気放電（ＥＳＤ）の回数に対する放電用電極１０３、１０４間の絶縁抵抗Ｒ１０１（Ω）を示す。絶縁抵抗Ｒ１０１での「ＳＣ」は放電用電極１０３、１０４間のショートを示す。サンプルの未焼結積層体３０８を焼成雰囲気ＡＴＭ１０１〜ＡＴＭ１０４において、１２５０℃、２時間保持し焼成した。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素１００体積％、水素０％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０２は窒素９９．９体積％、水素０．１体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０３は窒素９９．８体積％、水素０．２体積％である。焼成雰囲気ＡＴＭ１０４は窒素９９．０体積％、水素１．０体積％である。
サンプル２１〜２４は焼成雰囲気のみが互いに異なる。窒素１００％、水素０％の焼成雰囲気ＡＴＭ１０１で焼成したサンプル２１は、電極１０３、１０４間でＥＳＤは発生するものの、電極１０３、１０４の表面において、酸素と結合したタングステンの量がタングステンの全量に対して６原子％も存在している。Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析法では、電極１０３、１０４の表面からわずか数ｎｍの厚みの部分を分析しているに過ぎないので、電極全体の電気抵抗値にはほとんど影響しない。電極１０３、１０４の表面に酸化物が存在していると、表面での抵抗値が大きくなりＥＳＤが発生しにくくなる。したがって、サンプル２１の放電開始電圧は１５ｋＶと高く、高電圧の静電気印加に対する抑制ピーク電圧が非常に高い。水素０．２体積％以上の焼成雰囲気で焼成されたサンプル２３、２４では、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回るようになり、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。焼成雰囲気の水素の濃度の上限はセラミックが焼成時に還元されない濃度であれば良く、特に限定しない。
サンプル２５〜２８は１．０ｍｍ２の大きな対向面積を有すること以外にはサンプル２１〜２４とそれぞれ同じである。サンプル２５〜２８でも、サンプル２１〜２４と同様に、放電用電極１０３、１０４表面の酸素と結合したタングステンの量は２原子％を下回ると、放電開始電圧、抑制ピーク電圧はいずれも低く優れた特性を有する。
サンプル２９〜３２は放電用電極１０３、１０４の材料のみが互いに異なる。タングステンに銅を混合すると両者は合金化し、電極１０３、１０４の導電率の向上とともに融点は低下する。放電用電極１０３、１０４を構成する金属中のタングステン量が８０重量％以上であるサンプル２９、３０では、ＥＳＤを１０００回繰り返しても電極１０３、１０４間がショートしない。タングステン７０重量％の電極１０３、１０４を有するサンプル３１ではＥＳＤを５００回繰り返すとショートした。白金よりなる電極１０３、１０４を有するサンプル３２ではわずか５０回のＥＳＤで電極１０３、１０４間がショートしている。ＥＳＤの際に空洞部１０２や電極１０３、１０４の温度は２５００〜３０００℃にまで上昇する。放電用電極１０３、１０４の融点がこの温度以上であれば、ＥＳＤを繰り返しても電極１０３、１０４はショートしない。
図１２は、サンプル２１〜２４に印加された静電気パルスの電圧Ｖｐに対する抑制ピーク電圧Ｖｐｅａｋを示す。図１２に示すように、放電用電極１０３、１０４の表面をＸＰＳ分析法で測定した、酸素が結合しているタングステンの割合によって、放電開始電圧と抑制ピーク電圧が変わる。図１２に示すように、酸素と結合したタングステンの量がそれぞれ２．０原子％、１．２原子％であるサンプル２３、２４が低い放電開始電圧と低い抑制ピーク電圧を示した。電極１０３、１０４の表面での酸化物の前述の作用を考慮すると、酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下であれば、静電気対策部品は同様な効果を有すると考えられる。
なお、実施の形態１、２において、「上面」「真上方」等の方向を示す用語はグリーンシートや金属層や樹脂層等の静電気対策部品の構成部材の位置に依存する相対的な方向を示し、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。
本発明による静電気対策部品は、高電圧の静電気を繰り返し放電用電極に印加してもショートの恐れが少なく、高い信頼性を有するので、静電気対策が要求される各種機器、デバイスに有用である。
１０１ セラミック素体
１０２ 空洞部
１０３ 放電用電極（第１の放電用電極）
１０４ 放電用電極（第２の放電用電極）
１０５ 端子電極（第１の端子電極）
１０６ 端子電極（第２の端子電極）
１１１ 静電気対策部品
３０１ グリーンシート（第１のグリーンシート）
３０２ 金属層（第１の金属層）
３０３ 樹脂層
３０３Ｃ 樹脂ビーズ
３０３Ｄ ペースト状樹脂
３０４ グリーンシート（第３のグリーンシート）
３０５ グリーンシート（第４のグリーンシート）
３０６ 金属層（第２の金属層）
３０７ グリーンシート（第２のグリーンシート）
３０８ 未焼結積層体
３１０ グリーンシート（第３のグリーンシート）
３１０Ｅ 開口部
３１１ 未焼結積層体
３１２ 未焼結積層体

Claims (13)

  1. 内部に空洞部を有するセラミック素体と、
    前記空洞部に露出する部分を有して、前記セラミック素体に埋設された第１の放電用電極と、
    前記空洞部に露出してかつ前記第１の放電用電極の前記部分と所定の距離だけ離れて対向する部分を有して、前記セラミック素体に埋設された第２の放電用電極と、
    を備え、
    前記第１の放電用電極と前記第２の放電用電極は、タングステンを８０重量パーセント以上含有する金属よりなり、
    前記第１の放電用電極と前記第２の放電用電極でのタングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が２．０原子％以下である、静電気対策部品。
  2. 前記第１の放電用電極と前記第２の放電用電極でのタングステンの全量に対して酸素と結合したタングステンの量が１．８原子％以下であり、
    前記第１の放電用電極の前記部分の面積と前記第２の放電用電極の前記部分の面積は０．０１ｍｍ２以上で１．０ｍｍ２以下であり、
    前記所定の距離は５μｍ以上で１６μｍ以下である、請求項１に記載の静電気対策部品。
  3. 前記第１の放電用電極と接続された第１の端子電極と、
    前記第２の放電用電極と接続された第２の端子電極と、
    をさらに備えた、請求項１に記載の静電気対策部品。
  4. 前記セラミック素体は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、コージライトのうちから選ばれる少なくとも一つのセラミック組成物を含有する、請求項１に記載の静電気対策部品。
  5. セラミック絶縁体からなる第１のグリーンシートの上面に、タングステンを８０重量％以上含有する第１の金属層を形成するステップと、
    前記第１の金属層の上面に、樹脂ビーズとペースト状樹脂とを含有する樹脂層を形成するステップと、
    前記樹脂層の上面に、タングステンを８０重量％以上含有する第２の金属層を形成するステップと、
    前記第２の金属層の上面に、セラミック絶縁体からなる第２のグリーンシートを形成するステップと、
    を含む、未焼結積層体を形成するステップと、
    還元性ガスを含有する窒素雰囲気で前記未焼結積層体を焼成するステップと、
    を含み、
    前記未焼結積層体を焼成するステップは、
    前記第１のグリーンシートと前記第２のグリーンシートとを焼結させてかつ前記樹脂ペーストを揮発させることにより、内部に空洞部を有するセラミック素体を形成するステップと、
    前記第１の金属層を焼成して、前記空洞部に露出する部分を有する第１の放電用電極層を形成するステップと、
    前記第２の金属層を焼成して、前記空洞部に露出してかつ前記第１の放電用電極の前記部分に所定の距離だけ離れて対向する部分を有する第２の放電用電極層を形成するステップと、
    を含む、静電気対策部品の製造方法。
  6. 前記窒素雰囲気は０．２体積％以上の前記還元性ガスを含有する、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
  7. 前記第１の放電用電極の前記部分の面積と前記第２の放電用電極の前記部分の面積は０．０１ｍｍ２以上で１．０ｍｍ２以下であり、
    前記所定の距離は５μｍ以上で１６μｍ以下である、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
  8. 前記還元性ガスは水素である、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
  9. 前記第１のグリーンシートの前記上面に前記第１の金属層を形成するステップは、前記第１のグリーンシートの前記上面の第１の部分が露出するように、前記第１のグリーンシートの前記上面の第２の部分上に前記第１の金属層を形成するステップを含み、
    前記第１の金属層の前記上面に前記樹脂層を形成するステップは、前記第１の金属層の前記上面の第１の部分が露出するように、前記第１の金属層の前記上面の第２の部分上に前記樹脂層を形成するステップを含み、
    前記未焼結積層体を形成するステップは、
    前記第１の金属層の前記上面の前記第１の部分上に、セラミック絶縁体からなる第３のグリーンシートを形成するステップと、
    前記第１のグリーンシートの前記上面の前記第１の部分上に、セラミック絶縁体からなる第４のグリーンシートを形成するステップと、
    をさらに含み、
    前記樹脂層の前記上面に前記第２の金属層を形成するステップは、前記樹脂層の前記上面と前記第４のグリーンシートの上面に前記第２の金属層を形成するステップを含み、
    前記第２の金属層の前記上面に前記第２のグリーンシートを形成するステップは、前記第２の金属層の前記上面と前記第３のグリーンシートの上面に前記第２のグリーンシートを形成するステップを含む、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
  10. 前記第１のグリーンシートはバインダ樹脂を含有し、
    前記第２のグリーンシートはバインダ樹脂を含有し、
    前記第３のグリーンシートは、前記第１のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率と前記第２のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率より大きい含有率でバインダ樹脂を含有し、
    前記第４のグリーンシートは、前記第１のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率と前記第２のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率より大きい含有率でバインダ樹脂を含有する、請求項９に記載の静電気対策部品の製造方法。
  11. 前記第１のグリーンシートの前記上面に前記第１の金属層を形成するステップは、前記第１のグリーンシートの前記上面の第１の部分が露出するように、前記第１のグリーンシートの前記上面の第２の部分上に前記第１の金属層を形成するステップを含み、
    前記第１の金属層の前記上面に前記樹脂層を形成するステップは、前記第１の金属層の前記上面の第１の部分が露出するように、前記第１の金属層の前記上面の第２の部分上に前記樹脂層を形成するステップを含み、
    前記未焼結積層体を形成するステップは、
    開口部を有する、セラミック絶縁体よりなる第３のグリーンシートを準備するステップと、
    前記開口部に前記樹脂層が位置するように、前記第１の金属層の前記上面の前記第１の部分上と、前記第１のグリーンシートの前記上面の前記第１の部分上とに前記第３のグリーンシートを形成するステップと、
    をさらに含み、
    前記樹脂層の前記上面に前記第２の金属層を形成するステップは、前記樹脂層の前記上面と前記第３のグリーンシートの上面の第１の部分上に前記第２の金属層を形成するステップを含み、
    前記第２の金属層の前記上面に前記第２のグリーンシートを形成するステップは、前記第２の金属層の前記上面と前記第３のグリーンシートの前記上面の第２の部分上に前記第２のグリーンシートを形成するステップを含む、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
  12. 前記第１のグリーンシートはバインダ樹脂を含有し、
    前記第２のグリーンシートはバインダ樹脂を含有し、
    前記第３のグリーンシートは、前記第１のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率と前記第２のグリーンシートの前記バインダ樹脂の含有率より大きい含有率でバインダ樹脂を含有する、請求項１１に記載の静電気対策部品の製造方法。
  13. 前記樹脂ビーズと前記ペースト状樹脂はアクリル系樹脂よりなる、請求項５に記載の静電気対策部品の製造方法。
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