JPWO2011162181A1 - 面実装バリスタ - Google Patents

Abstract

【課題】基板を燃焼させる等の危険性のない高電圧・大電流パルス用の面実装バリスタを提供する。【解決手段】バリスタ１の外装材を第１モールド層１３と第２モールド層１５とからなる２重（２層）構成とし、この外装材の底部に所定高の脚部を形成する。その結果、バリスタ１を基板２０に実装したときにバリスタ素子２と実装基板２０との間に形成される空間（空隙）により、バリスタが電気的な短絡状態になっても基板２０を燃焼させる等の危険性を回避できる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、各種サージやパルスノイズから電子機器等を保護するための面実装バリスタに関する。

自動車や産業機器等において使用される電子部品は、その使用環境の変化が目覚ましく、従来はこの種の部品に要求されなかった規格の改定や、その用途も益々多様化しているというのが現状である。その結果、予期せぬノイズや大きなパルスから脆弱な電子回路を保護する電子部品への要求が非常に高くなっている。さらには、硫化や結露等の環境の影響を充分に考慮し、単に初期機能だけでなく、継続的な信頼性の高い製品を提供する必要がある。

回路保護部品としてのバリスタには、ディスクタイプ（ラジアル部品タイプのものが多い）、面実装タイプ（チップ型）、積層（内層）部品があり、用途により使い分けられている。例えば、１００Ｖ〜２００Ｖ等の家庭用電源機器、周辺回路の保護、雷サージ等の高電圧・大電流のパルスにはディスクタイプが使用される。また、面実装タイプや積層タイプは、ディスクタイプよりも低電圧、低電流のパルス用として使用される。高電圧・大電流タイプになるほど、バルクサイズは大きくなるが、これは、バルクサイズの大きいものでなければ、雷サージ等に耐えることができないからである。

電子機器のサージ保護用のチップバリスタとして、サージ電流耐量を向上させたチップバリスタについては、例えば、特許文献１に記載されている。

特開平４−３１５４０２号公報

近年における電子部品の省スペース化、小型化の進展により、高電圧・大電流パルスに対応できる面実装チップタイプのバリスタが求められているが、従来の面実装型を高電圧・大電流パルス用にバルクサイズを大きくしても、雷サージ等のパルスにおいてバリスタが短絡した際、部品はおよそ１０００℃近くまで発熱する。このことから、基板に実装されたときにバリスタの底面が基板と近接している、特許文献１等に記載の従来品の構造では、バリスタの短絡時に基板を燃焼させる危険性が極めて高くなるという問題がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板を燃焼させる等の危険性のない高電圧・大電流パルス用の面実装型のチップバリスタを提供することである。

上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本発明の面実装バリスタは、バリスタ素子と、該バリスタ素子の両面に配された電極と、該電極に接合された一対のフレーム端子とが絶縁性の外装材で覆われてなる面実装バリスタであって、前記一対のフレーム端子それぞれが前記外装材より引き出されるとともに、前記外装材の表面形状に沿って折り曲げられ、前記一対のフレーム端子それぞれの先端部が、前記外装材の底部に形成された空隙部を挟んで対向することを特徴とする。また、前記外装材の底部には、所定高の脚部が設けられた構造である。また、例えば、前記外装材は、前記バリスタ素子と電極とフレーム端子とを覆う第１の樹脂層と、その第１の樹脂層をさらに覆う第２の樹脂層とからなり、この第２の樹脂層の底部に所定高の脚部を設けることで、前記第２の樹脂層の底面と実装基板との間に前記空隙部を形成することを特徴とする。また、例えば、前記空隙部は、前記電極の長手方向と等しいか、あるいはそれ以上の幅を有し、前記バリスタ素子の厚さの３／４以上の高さを有する空間であることを特徴とする。例えば、前記空隙部は、前記バリスタ素子の長手方向と等しいか、あるいはそれ以上の幅を有し、前記バリスタ素子の厚さの３／４以上の高さを有する空間であることを特徴とする。さらには、例えば、前記一対のフレーム端子それぞれの端部に貫通孔を配し、前記貫通孔を介して前記フレーム端子と前記電極とを溶接接合することを特徴とする。

本発明によれば、バリスタの短絡時において基板を燃焼させる等の危険性を回避可能な面実装バリスタを提供することができる。

本発明の実施の形態例に係る面実装タイプのチップバリスタの構造を示す断面図である。 本実施の形態例に係るチップバリスタの端子部と上面電極との接続状態を示す内部図である。 本実施の形態例に係るチップバリスタの端子部と下面電極との接続状態を示す内部図である。 本実施の形態例に係るチップバリスタを底面側から見たときの様子を示す図である。 本実施の形態例に係るチップバリスタの製造工程を時系列で示すフローチャートである。

本実施の形態例におけるバリスタ素子に電極を形成した状態を示す図である。 本実施の形態例の電極にリードフレームを接合する工程を説明するための図である。 本実施の形態例において第１モールド層（一次モールド層）を形成した状態を示す図である。 本実施の形態例において第２モールド層（二次モールド層）を形成した状態を示す図である。 本実施の形態例のリードフレーム先端部を折り曲げた状態を説明するための図である。 本実施の形態例のリードフレームを折り曲げた状態を底面側から見た図である。 本実施の形態例のリードフレームを折り曲げた状態を上面側から見た図である。 図１２のＸ−Ｘ断面図である。 本実施の形態例のリードフレームと電極の詳細を説明するための断面図である。 本実施の形態例のリードフレームと電極との接合処理を説明するために断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態例について添付図面等を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態例に係る面実装タイプのチップバリスタの構造を示す断面図である。また、図２は、図１のチップバリスタにおける端子部と上面電極との接続状態を示す内部図（モールド前のチップバリスタを図１の矢印Ａ方向から見た図）であり、図３は、図１のチップバリスタにおける端子部と下面電極との接続状態を示す内部図（モールド前のチップバリスタを図１の矢印Ｂ方向から見た図）である。図４は、図１のチップバリスタを底面側から見たときの様子を示している。なお、本実施の形態例において「面実装タイプ」の部品（バリスタ）とは、例えば、実装高さが１０ｍｍ以下であり、バリスタ電圧が２４０〜８２０Ｖに適用されるものをいう。

図１に示すように、本実施の形態例に係るチップバリスタ１は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に添加物を混合してなる組成のバリスタ素子２の表面と裏面それぞれに電極５，７が形成されている。さらに、これらの電極５，７の表面に所定形状のリードフレーム端子９，１１が電気的に接続された状態で取り付けられている。そして、リードフレーム端子９，１１とともにバリスタ素子２、電極５，７が樹脂モールドで封止され、それらがさらに、別の樹脂モールドで覆われる構造になっている。

より具体的には、本実施の形態例に係るチップバリスタ１は、バリスタ素子２等を直接封止する第１モールド層１３と、この第１モールド層１３の周囲を覆うように形成された第２モールド層１５とからなる２重（２層）構成になっている。第１モールド層１３および第２モールド層１５は、本実施の形態例にかかるチップバリスタ１の外装材である。第２モールド層１５の底部には脚部１７，１９が形成されており、チップバリスタが基板２０等に実装されたとき、これらの脚部１７，１９が形成されていることから、外装材の底部と基板との間に、後述する空隙部（空間）Ｓが形成されるようになっている。

上述したように外装材を２層構成とし、第２モールド層１５の構成時（二次工程）に脚部１７，１９を形成することで、応力の解放との関係から第１モールド層（一次モールド）のみで脚部を構成する場合に比べて、リフロー時における脚部の破壊が抑制される。また、第１モールド層１３と第２モールド層１５の材質は、基板燃焼を避ける効果を考慮した場合、例えば、第１、第２モールド層ともにエポキシ樹脂とする第１の組み合わせ、第１モールド層１３をシリコン樹脂、第２モールド層をエポキシ樹脂とする第２の組み合わせ、あるいは、第３の組み合わせとして中空構造の外装、即ち、例えばエポキシ樹脂やセラミック等からなる外装ケース（外装材）の内部空間にバリスタ素子が外装ケースと直接触れないように保持する構造にしてもよい。なお、必ずしも外装材を２層にしなくてもよく、１層の構造でもよい。

図２および図３に示すように、リードフレーム端子９，１１の電極５，７との接続面に、プレス加工によりリードフレームを打ち抜いて貫通孔２１，３１を形成し、リードフレーム端子と電極とを溶接接合する。これらのリードフレーム端子９，１１は、例えば、フレーム厚が０．２ｍｍの燐青銅からなり、表面に２〜６μｍ厚のＮｉメッキとＳｎメッキを施したものである。

本実施の形態では、１つのフレームに直径が１ｍｍの貫通孔２１，３１を２個所に形成した。貫通孔は複数形成することが望ましい。フレーム端子のＳｎと電極５，７に含まれるＳｎとが溶接熱によって溶融することで混合一体化し、強固な接着を実現できるだけでなく、貫通孔２１，３１により、フレーム材等の溶融する面積を広く確保して、接着を強化するとともに、電気的にも良好な接続を確保することができる。

図１に示すように、電極５，７に接合されたリードフレーム端子９，１１は、それぞれが外装材より外部へ引き出され、外装材の表面形状に沿って所定形状に折り曲げられている。そして、リードフレーム端子９，１１それぞれの先端部分は、脚部１７，１９の底面（実装基板側の面）上で終端される構成となっている。その結果、リードフレーム端子９，１１の端部は互に、外装材の底部に設けた空隙部Ｓを挟んで、その空隙部Ｓの幅Ｌだけ離間して対向することになる。

さらには、本実施の形態例に係る面実装タイプのチップバリスタは、バリスタ１の底部であって、第２モールド層１５（外装材）の底部両端側に、後述する高さの脚部１７，１９を形成したことにより、バリスタ１を基板２０に実装したとき、第２モールド層１５の底部と実装基板２０との間に空間が形成される構造になっている。これにより、本実施の形態例に係る面実装バリスタは、バリスタ素子２と実装基板２０との間に空間（空隙）を設けた構造を有することになる。そのため、高電圧・大電流パルスによってバリスタが電気的な短絡状態になり、高温状態となっても、基板を燃焼させる等の危険が少ない。

バリスタ１の底部（第２モールド層１５の底部）と実装基板２０との距離（空隙部Ｓの空間距離）ａは、脚部１７，１９の高さによって決まる。この空間距離ａは、好ましくは１．８ｍｍ以上であり、バリスタ素子２の素子厚の３／４以上であることが望ましい。また、空隙部ＳのＬ寸法（長さ幅）は、バリスタ素子２に配された電極５，７の寸法と等しいか、あるいはそれ以上とする。なお、空隙部ＳのＬ寸法を、バリスタ素子２のＬ寸法と等しいか、あるいはそれ以上としてもよい。これによって、短絡等によってバリスタが高温化しても、実装基板の表面を燃焼させることのない面実装バリスタとすることができる。

次に、本実施の形態例に係るチップバリスタの製造プロセスについて説明する。図５は、本実施の形態例に係るチップバリスタの製造工程を時系列で示すフローチャートである。図５のステップＳ１でバリスタ素子２のバリスタ原料の調合を行う。例えば、バリスタ素子の材料としてメジアン平均粒径３μｍ程度の酸化亜鉛（ＺｎＯ）１００ｍｏｌ％に対して、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）を０．２ｍｏｌ％、酸化コバルト（ＣｏＯ）を４．０ｍｏｌ％、二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）を４．０ｍｏｌ％、酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）を３．５ｍｏｌ％、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）を１．０ｍｏｌ％、ホウ酸（Ｈ₃ＢＯ₃）を１．０ｍｏｌ％、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を０．１ｍｏｌ％を、電子天秤等を使用して秤量する。

ステップＳ２では、ステップＳ１で秤量したバリスタ原料を、ボールミル装置を使用して混合する。ここでは、例えば、メディア（ＹＴＺ１５φ）と混合溶媒としてのイオン交換水を用いて、毎分４５回転で２４時間、混合する。ステップＳ３で、乾燥オーブンを使用して１２０℃で２４時間、混合材料を乾燥する。続くステップＳ４において、ステップＳ３で乾燥させた混合材料に、例えばＰＶＡ溶液を加えて、乳鉢等を用いて造粒する。

ステップＳ５では、例えば、ロータリープレス機を使用してプレス荷重１２００Ｋｇｆを印加し、成形体の厚みが２ｍｍ程度となるよう成形する。そして、ステップＳ６で、焼結炉を使用して、成形体を例えば１１４０℃で１．５時間保持し、昇降温速度２００℃／ｈｒで脱バインダーおよび焼成を行う。

ステップＳ７において、電極焼成炉を用いて電極を形成する。例えば、上述の工程によって成形された成形体、すなわちバリスタ素子の両面に、Ａｇガラスペースト等を用いて電極を形成し、５４０℃で１０分間、焼付けを行う。このときの昇温速度を８００℃／ｈｒとし、焼付け後は徐冷する。
ステップＳ７の処理においてバリスタ素子の表面に電極を形成した状態を図６に示す。図６は本実施の形態例におけるバリスタ素子に電極を形成した状態を示す図である。図６において、２がバリスタ素子。５が電極である。なお、バリスタ素子２の電極５が形成された面の裏面にも電極７を形成する。

続くステップＳ８では、電極５を覆うようにＮｉ層、Ｓｎ層の順に電解メッキによりメッキ層を形成する。メッキ厚は、例えば、Ｎｉを２〜６μｍ、Ｓｎを３〜８μｍとする。リードフレーム端子には、プレス加工によって２個所に貫通孔が設けられている。ステップＳ９において、溶接機を使用して、電極にリードフレーム端子を例えば溶接接合等により接合する。

リードフレームを接合する状態を図７に示す。図７は、本実施の形態例の電極にリードフレームを接合する工程を説明するための図である。図７において、リードフレーム９は電極５に接続固定され、リードフレーム１１を電極７へ接続する前の状態を示している。図７に示すように、本実施の形態例では、予めリードフレーム９，１１には貫通孔２１，３１が形成されており、且つ接合するバリスタ素子や電極の厚さにあわせて折り曲げられ、且つ電極との接合部分の幅がやや狭くなるように成型されている。

ステップＳ１０では、チップバリスタのモールド成形を行う。本実施の形態例に係るチップバリスタは、上述したようにモールドを２重成形する。そのため、ここでは、まず第一段階として、射出成形により、ＬＣＰ樹脂、Ｓｉ樹脂でバリスタ素子２を直接封止する第１モールド層１３が形成される。

この第１層目のモールドが形成された状態を図８に示す。図８は本実施の形態例において第１モールド層（一次モールド層）を形成した状態を示す図である。図８に示すように第１モールド層１３が形成された状態ではリードフレーム９，１１はそのまま一次モールド層１３より外方に延出した状態である。

つづいて同じく射出成形により第１モールド層１３の周囲を覆うように第２モールド層１５を形成する。第２モールド層１５が形成された状態を図９に示す。図９は本実施の形態例において第２モールド層（二次モールド層）を形成した状態を示す図である。図９に示すようにこの第２モールド層１５の底部には、実装基板側へ延出する脚部１７，１９が形成され脚部１７、１９間には空間Ｓが形成される。

ステップＳ１１において、上記外装材より外部へ引き出されたリードフレーム端子９，１１を、フォーミング加工機を使ってその外装材の表面形状に沿って所定形状に折り曲げる加工を行う。リードフレームの先端部を折り曲げた状態を図１０に示す。図１０は本実施の形態例のリードフレーム先端部を折り曲げた状態を説明するための図である。

図１０において、リードフレーム９，１１は、脚部１７，１９の凹部４１，４２にちょうど収納されるように先端部９ａ，１１ａが折り曲げられ（一次フォーミング）、折り曲げた先端部の長さが脚部１７，１９の幅となるように必要に応じて切断される。
脚部１７，１９の実装面（実装基板との当接面）には、リードフレーム９，１１を収納する凹部４１，４２が形成されている。凹部４１，４２の深さは、リードフレーム９，１１の厚さと略同じ深さとなっている。

図１０の状態につづいて、第２モールド層１５（外装材）の外側に延出しているリードフレーム９，１１を、先端部が脚部１７，１９の凹部４１，４２内に収納するように折り曲げる二次フォーミングを行い、リードフレームの先端部分９ａ，１１ａをこの凹部４１，４２内に収納した状態となる。先端部分９ａ，１１ａが凹部４１，４２内に収まることで、実装面の平坦性が増すため、安定して実装することができる。

このリードフレーム９，１１の二次フォーミング完了時の状態を図１１，１２に示す。図１１は本実施の形態例のリードフレームを折り曲げた状態を底面側から見た図、図１２は本実施の形態例のリードフレームを折り曲げた状態を上面側から見た図である。図１１において、９ａ，１１ａはリードフレーム先端部（端子先端部）である。図示のように、脚部１７，１９の底部が略平面に保たれ、実装面の平坦性が担保されている。

図１３は図１２のＸ−Ｘ断面図である。図１３は貫通孔が示されていること以外は図１と同様であるため、その他の符号は省略する。図１３において、２１，３１は貫通孔であり、本実施の形態例ではステップＳ９の溶接接合により貫通孔２１，３１内にも導電材料が充填されており、リードフレーム９とバリスタ素体２は強固に固定されている。
なお、図１３に明らかなように、上面及び下面それぞれのリードフレームの外装材からの引出位置が、外装材の両側面においてほぼ同一の引出位置となるように、予めリードフレーム９，１１が折り曲げ加工されている。また、バリスタ素子２の両端面と折り曲げたリードフレーム面との距離もほぼ同一となるように折り曲げられている。

以上の工程で本実施の形態例面実装バリスタが製造されるため、続くステップＳ１２において、製造された面実装バリスタ全数の外観検査、およびバリスタ電圧、漏れ電流等の電気的特性の検査をする。

上記したステップＳ９のリードフレームと電極との接合処理の詳細を図１４及び図１５を参照して以下に説明する。図１４は本実施の形態例のリードフレームと電極の詳細を説明するための断面図、図１５は本実施の形態例のリードフレームと電極との接合処理を説明するための断面図である。

本実施の形態例では、リードフレーム９，１１の表面には予めメッキ層９ａを形成している。このメッキ層は、例えばニッケル（Ｎｉ）メッキあるいはスズ（Ｓｎ）メッキなど、任意の導電金属メッキを用いることができる。図１４に示すように、メッキを施したリードフレーム９を、貫通孔２１を形成した部分が電極５に当接するように、電極５上方の所定位置に位置決めする。

その後、図１５に示すように、リードフレーム９を電極５に当接させ、ヒータ５０を用いて加熱圧着する。このとき、リードフレーム９表面のメッキ層９ｂや電極５の表面のメッキ層が溶融し、貫通孔２１内に充填された状態となる。符号２５はメッキ層が溶融して貫通孔内に充填された導電体である。このためリードフレーム９とバリスタ素体２は強固に固定される。また、同様にして、リードフレーム１１の貫通孔３１を電極７に当接させて、リードフレーム１１と電極７を加熱圧着する。

次に、本実施の形態例に係るチップバリスタのサンプル評価の結果について説明する。評価に使用したチップバリスタは、バリスタ電圧が４７０Ｖ、１４ｍｍサイズのバリスタ素子からなり、電極には、銀メタル分が６５ｗｔ％、ホウ珪酸ガラス・その他が３５ｗｔ％のＡｇ電極を使用した。また、リードフレーム端子と電極を、鉛フリーはんだによって接合した。ここでは、基板面から製品（チップバリスタ）の底面までの距離（空間距離）ａを変えて、各々の距離についてサンプル２０個の良否判断を行った。表１は、サンプルの評価結果を示している。

このサンプル評価における良否判断基準は、製品バリスタに試験電圧を印加後、それを実装した基板面に燃焼、発煙、および発火がないこと、また、燃焼、発煙、および発火については、その数を、基板面を基準面として、そこから製品バリスタ（バリスタ底部）までの距離ａに対して計数した。その結果、バリスタ底部の基板からの高さ（空間距離）ａは、好ましくは１．８ｍｍ以上であり、また、空間距離ａは、バリスタ素子の厚さの３／４以上であることが望ましい、ということが判明した。

以上説明したように本実施の形態例によれば、面実装タイプのチップバリスタの外装の底部に空隙部を形成した。このような構成とすることによって、バリスタを基板に実装したとき、バリスタ素子と実装基板との間に空間（空隙）を設けることができ、それにより、高電圧・大電流パルスによってバリスタが電気的な短絡状態になっても、基板を燃焼させる等の危険性を少なくすることができる。また、回路保護素子として優れたバリスタ特性を有する面実装タイプのチップバリスタが実現可能となる。

１ チップバリスタ
２ バリスタ素子
５，７ 電極
９，１１ リードフレーム端子
１３ 第１モールド層
１５ 第２モールド層
１７，１９ 脚部
２０ 実装 基板
２１，３１ 貫通孔
ａ 空間距離
Ｌ 空隙部の寸法
Ｓ 空隙部（空間）

Claims (8)

1. バリスタ素子と、該バリスタ素子の両面に配された電極と、該電極に接合された一対のフレーム端子とが絶縁性の外装材で覆われてなる面実装バリスタであって、
   前記一対のフレーム端子それぞれが前記外装材より引き出されるとともに、前記外装材の表面形状に沿って折り曲げられ、前記一対のフレーム端子それぞれの先端部が、前記外装材の底部に形成された空隙部を挟んで対向することを特徴とする面実装バリスタ。
2. 前記外装材の底部に所定高の脚部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の面実装バリスタ。
3. 前記外装材は、前記バリスタ素子と電極とフレーム端子とを覆う第１の樹脂層と、その第１の樹脂層をさらに覆う第２の樹脂層とからなり、この第２の樹脂層の底部に所定高の脚部を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面実装バリスタ。
4. 前記空隙部は、前記電極の長手方向と等しいか、あるいはそれ以上の幅を有し、前記バリスタ素子の厚さの３／４以上の高さを有する空間であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の面実装バリスタ。
5. 前記空隙部は、前記バリスタ素子の長手方向と等しいか、あるいはそれ以上の幅を有し、前記バリスタ素子の厚さの３／４以上の高さを有する空間であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の面実装バリスタ。
6. 前記一対のフレーム端子に貫通孔を配し、前記フレーム端子の前記貫通孔を形成した部分と前記電極とを溶接接合することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の面実装バリスタ。
7. 前記フレーム端子の前記電極との接合部には貫通孔が形成されていると共に、前記フレーム端子には予めメッキ層が形成されており、前記フレーム端子と前記電極との接合時には接合部を加熱して前記貫通孔内にメッキ層を溶融させて充填させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の面実装バリスタ。
8. 前記フレーム端子は、前記外装材の両側面においてほぼ同一の引き出し位置となるように、前記電極との接合まえに予め折り曲げ加工されていることを特徴とする求項１乃至請求項７のいずれかに記載の面実装バリスタ。

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