JPWO2014083898A1

JPWO2014083898A1 - サーミスタ装置

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Publication number: JPWO2014083898A1
Application number: JP2014550050A
Authority: JP
Inventors: 三浦　忠将; 忠将三浦; 秋一川田; 山本　祐樹; 祐樹山本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: JP5928608B2; WO2014083898A1; US20150211940A1; US9797781B2; CN104813419B; CN104813419A

Abstract

ストレス耐性をより向上させるために、サーミスタ装置（１）は、樹脂製の第一基材部（１１）と、金属基材（２１）上に形成されたサーミスタ薄膜（２２）と、該サーミスタ薄膜（２２）上に形成された第一および第二外部電極（２３ａ，２３ｂ）を含むサーミスタ素子（１４）と、第一基材部（１１）の主面上に形成され、第一外部電極（２３ａ）および第二外部電極（２３ｂ）が接続される第一リード電極（１２）および第二リード電極（１３）と、を備えている。金属基材（２１）およびサーミスタ薄膜（２２）のそれぞれは、第一外部電極（２３ａ）および第二外部電極（２３ｂ）の間で撓んでいる。

Description

本発明は、フレキシブルサーミスタ素子を用いたサーミスタ装置に関する。

従来、この種のサーミスタ装置は、温度センサ等に用いられる。この温度センサは、例えば、下記特許文献１に記載のように、耐熱樹脂シートと、二本のリード電極と、セラミックサーミスタ素子と、外装シートと、を備えている。耐熱樹脂シートは、厚さが約５０μｍのポリイミドからなる。二本のリード電極は、銀を含有する金属材料からなり、約１０μｍの厚さを有する。この二本のリード電極は、上記耐熱樹脂シートの主面上に、所定間隔をあけて並ぶように印刷等により形成される。サーミスタ素子は、約０．５ｍｍの厚さを有しており、上記二本のリード電極の一方端部に接続される。外装シートは、厚さが約５０μｍのポリイミドからなる。この外装シートは、各リード電極およびサーミスタ素子を覆う。但し、各リード電極の他方端部は、他回路との接続用に露出される。このような耐熱樹脂シートおよび外装シートは、耐熱接着剤で密着固定される。

ユーザは、上記温度センサを使用する際、例えばリチウムイオンバッテリー等の検知対象物上にサーミスタ素子を接着剤等で固定する。そして、温度センサにおいて、二本のリード電極の他方端部には、検知対象物の温度に相関する電圧値が出力される。

特開２０００−２６６６０８号公報

しかしながら、ポリイミド製の耐熱樹脂シートおよび外装シートは、検知対象物の温度変化により膨張する。一般的に、樹脂（耐熱樹脂シートおよび外装シート）は、サーミスタ素子よりも大きく膨張する。このような膨張により、サーミスタ素子と各リード電極との接合部分にストレスがかかる。このストレスにより、接合部分が破断したり、サーミスタ素子本体にクラックが生じたりするという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、ストレスに対する耐性をより向上させたサーミスタ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第一局面は、サーミスタ装置であって、主面を有する樹脂製の第一基材部と、金属基材上に形成されたサーミスタ薄膜と、該サーミスタ薄膜上に形成された第一外部電極および第二外部電極を含むサーミスタ素子と、前記第一基材部の主面上に形成されており、前記第一外部電極および前記第二外部電極が接続される第一リード電極および第二リード電極と、を備え、前記サーミスタ薄膜および前記金属基材のそれぞれは、前記第一外部電極および前記第二外部電極の間で撓んでいる。

上記局面によれば、ストレス耐性をより向上させたサーミスタ装置を提供することが可能となる。

一実施形態に係るサーミスタ装置の外観斜視図である。図１のＡ−Ａ’線に沿う断面を矢印Ｂの方向から見たサーミスタ装置の縦断面図である。図１のサーミスタ素子（未実装時）の詳細な構成を示す縦断面図である。図１のサーミスタ装置の製造工程（最初）を示す模式図である。図４Ａの次の工程を示す模式図である。図４Ｂの次の工程を示す模式図である。図４Ｃの次の工程を示す模式図である。図１のサーミスタ装置（未実装時）の要部を示す模式図である。図１のサーミスタ装置（圧着後）の要部を示す模式図である。図１のサーミスタ装置（温度検知時）の要部を示す模式図である。図１のサーミスタ装置の付加的な技術的効果を示す模式図である。図１のサーミスタ装置を備えた温度センサを示す模式図である。変形例に係るサーミスタ装置の構成を示す縦断面図である。

（実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るサーミスタ装置について詳説する。

（はじめに）
まず、いくつかの図面に示されるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸について説明する。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに直交しており、サーミスタ装置の左右方向、前後方向および厚さ方向を示す。

（サーミスタ装置の構成）
サーミスタ装置１は、図１および図２に示すように、第一基材シート１１と、第一リード電極１２と、第二リード電極１３と、フレキシブルサーミスタ素子１４と、第二基材シート１５と、を備えている。

第一基材シート１１は、ｚ軸方向に沿う厚さが約３０μｍ以下で、ｘｙ平面に平行な矩形形状の主面を有している。また、第一基材シート１１は、エポキシ系樹脂またはポリイミド系樹脂を含む材料からなる。これら以外にも、タルクのような層状ケイ酸塩または粘土を含む材料からなっていても構わない。

第一リード電極１２および第二リード電極１３は、典型的には、Ｃｕを含有する金属からなる。より具体的には、Ｃｕ５〜１５Ｎｉ合金である。これら以外にも、第一リード電極１２および第二リード電極１３は、導電性接着剤からなっていても構わない。

第一および第二リード電極１２，１３は、第一基材シート１１の長手方向（Ｘ軸方向）に延在し、かつ互いに平行になるように、上記第一基材シート１１の主面上に形成される。また、これらリード電極１２、１３のｘ軸の負方向側の端（以下、一方端という）は、外部の回路基板１６に本サーミスタ装置１を実装するための端子電極Ｔａ，Ｔｂが形成されている。これらリード電極１２，１３のｘ軸の正方向側の端（以下、他方端という）は、後述のサーミスタ素子１４を実装するための端子電極Ｔｃ，Ｔｄが形成されている。

サーミスタ素子１４は、正の温度係数（ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））または負の温度係数（ＮＴＣ（ＮｅｇａｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））を有する。このサーミスタ素子１４は、柔軟性を出すために、大略的には、金属基材２１と、サーミスタ薄膜層２２と、二個一対の第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂと、を備えている。

金属基材２１は、典型的には、Ａｇ，Ｐｄ，ＰｔまたはＡｕ等の貴金属、もしくはＣｕ，Ｎｉ，Ａｌ，ＷまたはＴｉ等の卑金属からなる。他にも、金属基材２１は、上記貴金属および卑金属を含む合金からなっていてもよい。この金属基材２１は、上記金属材料の粉末ペーストからシート状に形成されてなり、ｚ軸方向の厚さが約１０〜８０μｍの略直方体形状を有している。

サーミスタ薄膜層２２はセラミック材料からなる。このセラミック材料は、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｏ，ＡｌおよびＺｎ等の遷移元素から選ばれた少なくとも二つの遷移元素の酸化物からなる。このサーミスタ薄膜層２２は、上記セラミック材料のスラリーからシート状に形成されてなり、ｚ軸方向の厚さが約１〜１０μｍを有している。

このようなサーミスタ薄膜層２２は、金属基材２１のｘｙ平面に平行な二面のうち、ｚ軸の負方向側の面に形成される。サーミスタ薄膜層２２は、好ましくは、上記金属基材２１の面全体を覆うように形成される。換言すると、ｚ軸方向からの平面視で、このサーミスタ薄膜層２２の外縁は、金属基材２１の外縁に実質的に一致していることが好ましい。

第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂは、上記金属基材２１と同じ材料からなり、上記材料のペーストを所定形状に形成したものである。この第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂは、上記サーミスタ薄膜層２２がｚ軸の負方向側の面に形成される。この第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂは、所定間隔をあけてｙ軸方向に並ぶ分割電極であり、０．１〜１０μｍ程度の厚さを有している。

上記金属基材２１、サーミスタ薄膜層２２および第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂは好ましくは一体的に焼成される。しかし、これに限らず、少なくとも金属基材２１とサーミスタ薄膜層２２とが一体焼成されればよい。

金属基材２１、サーミスタ薄膜層２２および第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂの厚さは上記の通りであるため、サーミスタ素子１４としての厚さは１０〜１００μｍ程度と、薄型である。また、サーミスタ薄膜層２２は単体では脆いが、本実施形態では、柔軟性のある金属基材２１上にサーミスタ薄膜層２２が一体化されているため、サーミスタ素子１４に柔軟性を付与することが可能である。

なお、サーミスタ素子１４のさらに詳細については、国際公開ＷＯ２０１１／０２４７２４号を参照されたい。

上記のようなサーミスタ素子１４は、第一基材シート１１上に実装される。より具体的には、第一外部電極２３ａが第一リード電極１２の端子電極Ｔｃ上に、第二外部電極２３ｂが第二リード電極１３の端子電極Ｔｄ上に、所定の実装材料を介して実装される。実装材料としては、Ｓｎ系合金、Ｂｉ系合金、Ｃｕ−５〜１５Ｎｉ合金またはＡｇ系の導電性接着剤が典型的である。

第二基材シート１５は、ｚ軸方向に沿う厚さが約３０μｍ以下で、ｘｙ平面に平行な矩形形状を有している。また、第二基材シート１５は、第一基材シート１１と同じ材料からなることが好ましい。この第二基材シート１５は、第一リード電極１２、第二リード電極１３およびサーミスタ素子１４を覆った状態で、第一基材シート１１に圧着される。なお、第二基材シート１５は、第一リード電極１２および第二リード電極１３の全体を覆うのではなく、回路基板１６を接続可能にするために端子電極Ｔａ，Ｔｂおよびその近傍を覆わない。

（サーミスタ装置の製法）
次に、上記構成のサーミスタ装置１の製造方法の第一例について説明する。
（１）まず、サーミスタ薄膜層２２の原料として、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｔｉの酸化物は、所定の配合（比抵抗が１０⁴Ωｃｍ）になるように秤量される。秤量後の原料は、ボールミルにより、ジルコニア等の粉砕媒体を用いて十分に湿式粉砕される。その後、粉砕済の原料は、所定温度で仮焼され、これによってセラミック粉末が得られる。

（２）次に、（１）で得られたセラミック粉末に有機バインダが添加され、湿式でこれらの混合処理が行われる。これによって、セラミック粒子が混じったスラリーが得られる。このスラリーから、ドクターブレード法等によって、セラミックグリーンシートが生成される。ここで、セラミックグリーンシートの厚さ等は、焼成後に厚さが好ましくは５μｍ（１０μｍでも可）となるように調整される。このようにして得られたセラミックグリーンシート上に、Ａｇ−Ｐｄを主成分とした金属基材２１用の金属ペーストが、ドクターブレード法等によって塗布され、これによってマザーシートが形成される。ここで、金属ペーストの塗布厚は、焼成後のマザーシートの厚さが好ましくは３５μｍ（４０μｍでも可）となるように調整される。その後、マザーシートの金属ペースト上に、第一および第二外部電極２３ａ、２３ｂ用に、Ａｇ−Ｐｄを主成分とする金属ペーストがスクリーン印刷される。

（３）次に、（２）で得られたマザーシートは、サーミスタ素子１４のサイズにカットされる。カットされた素体はジルコニア製の匣に収容される。その後、これらマザーシートは脱バインダ処理され、さらに、所定温度（例えば１１００℃）で焼成される。これにより、金属基材２１、サーミスタ薄膜層２２および第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂからなり、フレキシブルな薄型サーミスタ素子１４が大量に得られる。

（４）次に、図４Ａに示すように、所定の厚さ（好ましくは２５μｍで、例えば３０μｍでも可）で樹脂製の第一基材シート１１が準備される。その後、図４Ｂに示すように、第一および第二リード電極１２，１３の電極パターンが所定の厚さ（好ましくは５μｍで、例えば１８μｍも可）で第一基材シート１１上に形成される。電極形成の具体的は手法に関しては、製造工程の簡素化の観点から、導電性接着剤の印刷が好ましい。しかし、これに限らず、金属箔の接着および金属メッキにより、電極パターンが形成されても構わない。

（５）次に、（４）で得られた端子電極Ｔｃ，Ｔｄ上に、実装材料が塗布または印刷される。その後、図４Ｃに示すように、マウンタ等の実装機器により、第一および第二外部電極２３ａ，２３ｂを端子電極Ｔｃ，Ｔｄと接合させ、これによって、上記（１）から（３）で得られたサーミスタ素子１４が第一基材シート１１上に実装される。

（６）次に、所定の厚さ（好ましくは１０μｍで、例えば３０μｍでも可）で樹脂製の第二基材シート１５が準備される。その後、図４Ｄおよび図５Ａに示すように、サーミスタ素子１４および第一および第二リード電極１２，１３を第一基材シート１１とで挟み込むように、第二基材シート１５は該第一基材シート１１に圧着される。この時、上述のように、端子電極Ｔａ，Ｔｂは露出させられる。また、図５Ａに示すように、サーミスタ素子１４が柔軟性を有しており、第一外部電極２３ａ、実装材料および端子電極Ｔｃと、第二外部電極２３ｂ、実装材料および端子電極Ｔｄとが第一基材シート１１の主面に対してｚ軸方向に高さを有している。よって、圧着により、図５Ｂに示すように、サーミスタ素子１４と第一基材シート１１との接合部分には矢印方向の応力（ストレス）が加わる。その結果、圧着後には、少なくとも金属基材２１およびサーミスタ薄膜層２２において、第一外部電極２３ａおよび第二外部電極２３ｂの間には、ｚ軸の負方向側、つまり第一基材シート１１の主面方向への撓み（換言すると、反り）が発生する。ここで、反りにより、サーミスタ薄膜層２２が第一基材シート１１の主面に接触することが好ましい。なお、反り量に関しては、サーミスタ薄膜層２２の下面と第一基材シート１１の主面との間のｚ軸方向の距離（つまり、間隔）に関係する。

以上の（１）〜（６）によって、最大部分の厚さが１００μｍや２００μｍ程度のサーミスタ装置１が得られる。

（サーミスタ装置の応用例）
上記構成のサーミスタ装置１は、例えばスマートフォンに内蔵されるリチウムイオンバッテリー（以下、ＬＩＢと称する）の温度検出用に用いられる。近年、スマートフォンのような電子機器の性能向上により、発熱量が大きくなってきている。冷却ファン等により冷却やヒートシンク等による放熱では発熱を抑えきれない場合もあるため、電子機器では、発熱部品（典型的には、ＬＩＢ）の温度が検出され、その結果に基づき、部品からは発熱を抑えるように該部品の動作が制御されている。しかしながら、近年の電子機器では、ＬＩＢの周囲にも各種部品が高密度に実装されていることが多いため、温度センサおよびその周辺回路の設置スペースを確保することが難しい。このような場合に、薄型のサーミスタ装置１を備えた温度センサが特に有用となる。

図６において、温度センサは、サーミスタ装置１と、回路基板１６と、接着手段１７と、を備えている。サーミスタ装置１は、測定対象物１８に取り付けられる。より具体的には、図５Ｃに示すように、第一基材シート１１の対向面には、例えば接着シートのような接着手段１７が設けられている。ここで、対向面は、第一基材シート１１において、該第一基材シート１１の主面とｚ軸の負方向側で相対向する面である。また、接着手段１７は、前述の製造工程（４）の最初、または製造工程（６）の最後に対向面に設けられる。この接着手段１７を用いてＬＩＢのような測定対象物１８の表面に、サーミスタ装置１が固定される。

外部回路１６は、サーミスタ装置１の端子電極Ｔａ，Ｔｂと接続されており、該端子電極Ｔａから金属基材２１を介して端子電極Ｔｂに至る通電経路に、例えば定電流を流す。ここで、周囲温度により、端子電極Ｔａと金属基材２１との間の抵抗値と、端子電極Ｔｂと金属基材２１との間の抵抗値とが変化する。その結果、端子電極Ｔａ，Ｔｂの間には、周囲温度に応じた電圧が現れる。外部回路１６は、この電圧値を、測定対象物１８の温度として出力する。

（サーミスタ装置の作用・効果）
ここで、測定対象物１８の温度上昇により、サーミスタ装置１において、少なくとも第一基材シート１１およびサーミスタ素子１４は膨張する。ここで、熱膨張の割合については、樹脂製の第一基材シート１１の方がサーミスタ素子１４よりも大きい。したがって、図５Ｃに示すように、サーミスタ素子１４と第一基材シート１１との接合部分には、図５Ｂの場合とは逆方向に応力（ストレス）が加わる。しかし、本サーミスタ装置１によれば、図５Ｂに示すように、圧着後に、金属基材２１およびサーミスタ薄膜層２２は、第一外部電極２３ａおよび第二外部電極２３ｂの間で撓んでいるため、温度検出時の温度変化による応力を吸収することが可能となる。このように、本サーミスタ装置１によれば、実使用時の温度変化に起因する応力（ストレス）に対する耐性が向上する。

また、上記の通り、圧着後には、金属基材２１およびサーミスタ薄膜層２２は、第一外部電極２３ａおよび第二外部電極２３ｂの間で撓んでおり、かつ第一基材シート１１の主面に接触していることが好ましい。これにより、サーミスタ装置１は、断熱効果の高い空気層を介して測定対象物１８の温度を検出するのではなく、測定対象物１８の温度を直に検出する。これにより、サーミスタ装置１は、測定対象物１８の温度を高速かつ高精度で検出することが可能となる。

また、上記の通り、本サーミスタ装置１では、サーミスタ薄膜層２２が金属基材２１の面全体を覆っている。この構成により、図７に示すように、金属基材２１が第一および第二リード電極１２，１３に短絡することを防止することが可能となる。

また、上記の通り、本サーミスタ装置１では、第一基材シート１１と第二基材シート１５とは同じ材料からなる。これにより、第一基材シート１１および第二基材シート１５は良好に熱圧着される。

（付記）
なお、上記実施形態では、ガス等に対する耐性の観点から、第一基材シート１１および第二基材シート１５によりサーミスタ素子１４を封止する構成を例示した。しかし、これに限らず、厚さの観点から、サーミスタ装置１は第二基材シート１５を備えなくとも構わない。

また、他にも、温度センサの応答性の観点から、図８に示すように、第一基材シート１１に貫通孔を形成する等して、ｚ軸の負方向側からの平面視で、サーミスタ薄膜層２２が第一リード電極１２および第二リード電極１３の間から、外部に露出していても構わない。この場合、サーミスタ薄膜層２２のｚ軸方向位置は、第一基材シート１１の対向面（つまり、主面とｚ軸方向に対向する面）と揃っていることが好ましい。

本発明に係るサーミスタ装置は、ストレス耐性をより向上させることが可能であり、温度センサやヒータ等に好適である。

１サーミスタ装置
１１第一基材シート
１２第一リード電極
１３第二リード電極
１４フレキシブルサーミスタ素子
１５第二基材シート
１６回路基板
１７接着手段
１８測定対象物

Claims

主面を有する樹脂製の第一基材部と、
金属基材上に形成されたサーミスタ薄膜と、該サーミスタ薄膜上に形成された第一外部電極および第二外部電極を含むサーミスタ素子と、
前記第一基材部の主面上に形成されており、前記第一外部電極および前記第二外部電極が接続される第一リード電極および第二リード電極と、を備え、
前記サーミスタ薄膜および前記金属基材のそれぞれは、前記第一外部電極および前記第二外部電極の間で撓んでいる、サーミスタ装置。
前記サーミスタ薄膜および前記金属基材のそれぞれは、前記第一リード電極および前記第二リード電極の間で前記第一基材部側に撓んでいる、請求項１に記載のサーミスタ装置。
前記サーミスタ薄膜は、前記第一リード電極および前記第二リード電極の間で前記第一基材部に接触している、請求項１または２に記載のサーミスタ装置。
前記主面の法線方向からの平面視で、前記サーミスタ薄膜は、前記第一リード電極および前記第二リード電極の間から露出している、請求項１〜３のいずれかに記載のサーミスタ装置。
前記サーミスタ素子、前記第一リード電極および前記第二リード電極を覆っており、前記第一基材部の主面に圧着される樹脂製の第二基材部と、を備える請求項１または２に記載のサーミスタ装置。
前記第一基材部および前記第二基材部は同一の樹脂材料からなる、請求項５に記載のサーミスタ装置。
前記サーミスタ装置は対象物の温度を検知する温度センサとして用いられ、前記第一基材部の主面と対向する面が該対象物に接触する、請求項１〜６のいずれかに記載のサーミスタ装置。
前記第一基材部において主面との対向面に、前記対象物への接着手段を、さらに備える請求項７に記載のサーミスタ装置。