KR20100010020A - 저 정전용량을 갖는 이에스디 보호소자 - Google Patents

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Abstract

저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자가 개시된다. 상기 ESD 보호소자는, 절연세라믹베이스; 상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 절연세라믹커버; 양단이 외부로 노출되고, 상기 절연세라믹커버의 내부에 또는 상기 절연세라믹베이스와 상기 절연세라믹커버의 접합 면에 수평으로 연장하는 내부전극; 및 상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며, 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성된다.
ESD, 에어 갭, 방전, 감쇄, 보호, 정전용량, 내부전극, 정전, 그린시트

Description

저 정전용량을 갖는 이에스디 보호소자{ESD Protection Device Having Low Capacitance}
본 발명은 저 정전용량을 갖는 ESD(Electro-Static Discharge) 보호소자에 관한 것이다. 구체적으로, 내부전극을 분리하여 방전공간을 제공하는 에어 갭이 형성되는 절연세라믹커버를 형성하도록 그린시트를 절연세라믹베이스의 상면에 압착하고 열처리 과정을 통해 접합함으로써, 에어 갭이 안정적으로 형성되고 밀폐되어 수분이나 기타 환경적인 불순물의 침투를 방지할 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자에 관한 것이다.
최근 HDMI, USB 등의 접속단자를 통한 데이터의 송수신 속도가 고주파 대역으로 이동되어감에 따라, 이들 단자들을 통한 데이터의 왜곡이나 손실 등의 문제를 발생하지 않으며, 외부로부터 유입되는 ESD로부터 회로를 보호하기 위해서는 1pF 미만의 보호소자에 대한 필요성이 더욱 증가하고 있다.
통상적으로 ZnO를 주성분으로 하는 ESD 보호기능을 갖는 전통적인 배리스터는 약 500 정도의 높은 유전율을 갖기 때문에 1pF 이하의 정전용량을 갖도록 설계하기가 어려우며, 그러한 특성을 구현하더라도 에너지 내량이 감소하게 되므로 과 전압에 대한 반복특성이 저하되고, 보호소자로서 가져야 할 신뢰성 있는 특성을 갖지 못하는 결함을 감소해야만 한다.
다른 예로써, 미국특허 US 6,251,513에서는 상기와 같은 필요성에 부합할 수 있는 보호소자로서, 반도성 폴리머를 이격 홈에 개재하여 제조되는 구조와 반도성 폴리머의 조성에 대해 제시하고 있다.
상기 특허에서의 반도성 폴리머 조성은 절연성 유기 바인더로서 실리콘 고무, 금속입자로서 니켈, 반도체 개재물인 SiC 등으로 구성되며, 이 반도성 폴리머는 스크린 인쇄 또는 디스펜싱 등의 방법에 의해 세라믹 기판의 이격 홈에 개재된다.
그러나, 상기의 특허는 다음과 같은 단점으로 갖는다.
상기와 같은 반도성 폴리머 조성이 과전압에 대한 보호기능을 갖도록 하기 위해서는 메탈 혹은 반도성 물질들 사이에 존재하는 절연 폴리머의 두께를 수 옹스트롬(Å)의 단위로 제어가 필요하다. 이는 과전압 유입시 순간적인 폴리머의 절연파괴가 발생하도록 하기 위해서이다. 결국 메탈 혹은 반도성 물질들을 절연 폴리머에 정밀하게 분산시키는 과정이 필요한데, 이러한 고정은 제조시 장시간을 요하고, 또한 고가의 장비가 적용되어야 한다. 제조과정에서의 이와 같은 문제는 제품 제조원가를 상승시키는 요인이 될 뿐 아니라, 불균일하게 분산된 제품을 선별해 내기가 사실상 어렵기 때문에 실효성이 떨어진다고 볼 수 있다.
또한, 실리콘을 사용할 경우, 일반적으로 실리콘은 습기에 취약한 성질을 나타내기 때문에 외부와의 차단막을 형성해야만 한다. 이와 관련된 업체에서는 통상 차단막으로서 고가의 PCB 재질을 접합하는 공법을 적용하고 있는 것이 현실정이다. 따라서, 제조원가가 상대적으로 높아지는 문제점을 안고 있다.
본 발명의 목적은 내부전극을 분리하여 방전공간을 제공하는 에어 갭을 안정적으로 형성하고 밀폐시켜 수분이나 기타 환경적인 불순물의 침투를 방지할 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 절연세라믹베이스의 상부에 모체세라믹을 형성함으로써 내부전극 및 에어 갭을 신뢰성 있게 형성할 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 절연세라믹베이스의 상부에 버퍼세라믹을 형성함으로써 에어 갭 내부로 수분이나 기타 환경적인 불순물의 침투를 더욱 신뢰성 있게 방지할 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 에어 갭의 내부에 불활성 가스를 충진함으로써 ESD 반응성과 내량을 향상시킬 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 에어 갭의 크기를 조절함으로써 정전용량을 조정할 수 있는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.
상기의 목적은, 절연세라믹베이스; 상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 절연세라믹커버; 양단이 외부로 노출되고, 상기 절연세라믹커버의 내부에 또는 상기 절연세라믹베이스와 상기 절연세라믹커버의 접합 면에 수평으로 연장하는 내부전 극; 및 상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며, 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자에 의해 달성된다.
또한, 상기의 목적은, 절연세라믹베이스; 상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 모체세라믹; 양단이 외부로 노출되고, 상기 모체세라믹 내부에 수평으로 연장하는 내부전극; 상기 모체세라믹을 감싸도록 형성되고 상기 절연세라믹베이스와 접합하는 절연세라믹커버; 및 상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며, 상기 모체세라믹 내부에는 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자에 의해 달성된다.
또한, 상기의 목적은, 절연세라믹베이스; 상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 버퍼세라믹; 상기 버퍼세라믹 위에 형성되는 모체세라믹; 양단이 외부로 노출되고, 상기 모체세라믹 내부에 수평으로 연장하는 내부전극; 상기 모체세라믹과 버퍼세라믹을 감싸도록 형성되고 상기 절연세라믹베이스와 접합하는 절연세라믹커버; 및 상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며, 상기 모체세라믹 내부에는 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자에 의해 달성된다.
바람직하게, 절연세라믹커버는 절연세라믹커버에 대응되는 그린시트가 절연 세라믹베이스에 압착되고 열처리 과정을 통해 접합될 수 있다.
또한, 절연세라믹베이스는 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화실리콘, 마그네시아, 실리콘 웨이퍼 또는 LTCC중 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 에어 갭은 다이싱 쏘(Dising saw) 또는 레이저(Laser) 트리밍에 의해 형성될 수 있다.
또한, 에어 갭은 10 내지 300㎛의 폭으로 형성될 수 있으며, 불활성 기체로 충진될 수 있다.
바람직하게, 절연세라믹커버는 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물 또는 LTCC 중의 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 모체세라믹은 절연세라믹베이스의 상면 가장자리가 노출되도록 절연세라믹베이스보다 작은 면적으로 형성될 수 있다.
이러한 모체세라믹은 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물 또는 LTCC 중의 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 버퍼세라믹은 절연세라믹베이스의 면적 이하로 모체세라믹의 면적 이상으로 형성될 수 있다.
이러한 버퍼세라믹은 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물 또는 페라이트계 산화물 중의 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 내부전극은 에어 갭의 길이방향으로 일정간격으로 분리되어 두 개 이상 형성되고, 외부전극은 분리된 각각의 내부전극에 전기적으로 연결되도록 분리되어 형성될 수 있다.
바람직하게, 절연세라믹커버 위에 형성되는 절연코팅층이 더 포함될 수 있다.
한편, 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자는 EMI 필터로 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 내부전극에서 상기 외부전극과의 접촉 부분에 보조 내부전극이 상기 내부전극 위에 적층되어 형성될 수 있다.
상기 내부전극과 상기 보조 내부전극은 동일한 재료로 구성될 수 있으며, 바람직하게, 상기 보조 내부전극은 그 폭이 상기 절연세라믹베이스의 폭과 동일하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 내부 보조전극은 메탈 페이스트에 의한 스크린 인쇄법을 적용하여 형성한 후 열처리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내부전극을 분리하여 방전공간을 제공하는 에어 갭이 형성되는 절연세라믹커버를 형성하도록 그린시트를 절연세라믹베이스의 상면에 압착하고 열처리 과정을 통해 접합함으로써, 내부에 에어 갭을 안정적으로 형성하고 밀폐시켜 수분이나 기타 환경적인 불순물의 침투를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 절연세라믹베이스의 상부에 모체세라믹을 형성함으로써, 내부전극 및 에어 갭을 신뢰성 있게 형성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 절연세라믹베이스의 상부에 버퍼세라믹을 형성함으로써, 에어 갭 내부로 수분이나 기타 환경적인 불순물의 침투를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 에어 갭의 내부에 불활성가스를 충진함으로써, ESD 반응성 과 내량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 에어 갭의 크기를 조절함으로써, 정전용량을 조정할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자의 사시도이다.
도시된 바와 같이, ESD 보호소자는 절연세라믹베이스(10)와 절연세라믹커버(20), 내부전극(미도시) 및 외부전극(50)으로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
절연세라믹베이스(10)는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 또는 사전에 소성된 세라믹기판일 수 있다.
절연세라믹커버(20)는 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물, 배리스터계 산화물, 서미스터계 산화물, 전기 저항, 글라스 또는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 등에 의해 형성될 수 있다.
바람직하게, 절연세라믹커버(20)는 그린시트 형태로 성형되어 절연세라믹베이스(10) 위에 적층되며, 압착과정 및 열처리과정을 거치면서 절연세라믹커버(20)가 절연세라믹베이스(10)의 상면에 앵커링 형태의 접합구조를 가지면서 접합된다.
절연세라믹커버(20)의 내부에는 수평으로 연장하는 내부전극(30)이 형성되는데, 내부전극(30)은 ESD 유입에 따른 방전유도 선로로서 절연세라믹커버(20)의 내 부에 스트립 패턴 형태로 형성되며 후술하는 바와 같이 에어 갭(40)에 의해 분리된다.
내부전극(30)은, 예를 들어, 절연세라믹커버(20)와 절연세라믹베이스(10)의 접합면에 치우쳐 절연세라믹커버(20)에 형성될 수 있다. 이에 한정하지 않고, 절연세라믹커버(20)와 절연세라믹베이스(10)의 접합면에서 절연세라믹베이스(10)의 표면에 형성될 수 있다.
내부전극(30)은 Ag, Pd, Pt, Au, Ni, Cu, Ag-Cu, Ag-Pd 중 어느 하나 이상으로 선택되어 적용될 수 있으며, 금속 페이스트를 이용한 스크린 인쇄법이나 스퍼터링 또는 도금 등의 방법으로 다양하게 형성할 수 있다.
여기서, 내부전극(30)을 금속 페이스트를 이용하여 형성하는 경우, 절연세라믹커버(20)의 두께 수축을 고려하여 페이스트 내의 금속 함량은 50wt% 내지 90wt% 범위로 포함될 수 있다.
상기한 바와 같이, 에어 갭(40)은 내부전극(30)을 분리시키고, 분리된 내부전극(30) 사이에 공간을 형성하여 외부에서 유입되는 ESD가 방전되는 공간을 제공한다. 에어 갭(40)은 절연세라믹커버(20)를 다이싱 쏘(Dicing saw) 또는 레이저 트리밍 등의 기계적 가공을 통해 절단하여 형성할 수 있다.
에어 갭(40)의 단면 형상은 일정한 폭을 갖는 슬롯(slot) 형상이나 원형 또는 타원형 등 여러 가지 형태로 형성할 수 있다.
에어 갭(40)의 폭은 요구되는 정전용량에 따라 달라질 수 있다. 즉, 에어 갭(40)의 폭이 좁아지면 큰 정전용량을 가지고, 넓어지면 작은 정정용량을 가지게 된다. 에어 갭(40)의 폭은, 예를 들어, 10 내지 300㎛ 범위 내에서 형성될 수 있으며, ESD에 대한 반응속도를 향상시키기 위해 200㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 에어 갭(40)의 내부는 ESD 반응성과 내량을 향상시키기 위해 불활성 기체로 충전되는 것이 바람직하며, 진공 상태로 형성되는 것도 가능하다.
또한, 에어 갭(40)은 내부전극(30)이 에어 갭(40)의 상면 또는 하면에 접하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 바와 같이, 내부전극(30)이 절연세라믹커버(20)와 절연세라믹베이스(10)의 접합면에서 절연세라믹베이스(10)의 표면에 형성되는 경우, 에어 갭(40)은 절연세라믹커버(20)와 절연세라믹베이스(10)에 걸쳐 형성될 수 있다.
<제 1 실시 예의 제조방법>
절연세라믹베이스(10)는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC)으로 성형된 그린시트를 요구되는 두께를 갖도록 다수 층 적층한 다음 압착하여 형성한다. 이와 달리, 절연세라믹베이스(10)는 알루미나, 질화알루미늄, 산화실리콘 또는 마그네시아 등을 주성분으로 하여 사전에 소성된 세라믹기판이 적용될 수 있다.
절연세라믹커버(20)는 먼저, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC)으로 성형된 그린시트를 다수 층 적층한 다음 압착하여 일정두께를 갖도록 형성한 후, 한 면에 내부전극(30)을 형성하고, 절연세라믹커버(20)가 요구되는 두께가 되도록 다시 그린시트를 적층하고 압착하여 형성한다. 이때, 내부전극(30)은 금속페이스트를 스크린 인쇄하여 형성할 수 있다.
이 상태에서 절연세라믹커버(20)에 에어 갭(40)을 형성한다. 에어 갭(40)은 절연세라믹커버(20) 내에 형성된 내부전극(30)이 분리될 수 있는 정도의 깊이로 형성되며, 레이저 트리밍 등의 기계적 가공방법을 이용하여 슬롯형상으로 형성될 수 있다.
이렇게 형성된 절연세라믹커버(20)를 절연세라믹베이스(10)의 한 면에 적층한 다음 압착을 통해 밀착시킨다.
이때, 절연세라믹커버(20)는 에어 갭(40)이 형성된 면이 절연세라믹베이스(10)와 접하도록 적층되며, 압착은 등수압 상태에서 이루어질 수 있다.
이후, 절연세라믹베이스(10) 및 절연세라믹커버(20)를 성형하기 위해 포함되는 유기물을 탈 바인더 공정을 통해 제거한 다음 소성한다.
이하, 본 발명에 따른 제 2 실시 예의 구성 및 제조방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 ESD 보호소자는 절연세라믹베이스(10), 절연세라믹베이스(10)의 상면에 적층되는 모체세라믹(60), 모체세라믹(60) 내에 형성되는 내부전극(30), 모체세라믹(60) 위에 적층되는 절연세라믹커버(20) 및 외부전극(50)으로 이루어진다.
절연세라믹베이스(10)는 절연성 세라믹을 기판 형상으로 성형한 후 소성하여 형성될 수 있다.
이때, 절연세라믹베이스(10)는 예를 들어, 알루미나(Al2O3)나 질화알루미늄(AlN), 산화실리콘(SiO2) 또는 마그네시아(MgO) 등에 의해 형성되거나, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 또는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
바람직하게, 절연세라믹베이스(10)는 생산성 및 기계적 강도를 고려하여 알루미나(Al2O3) 재질로 형성할 수 있으며, 두께는 0.3㎜ 내지 1㎜일 수 있다.
모체세라믹(60)은 절연세라믹베이스(10)의 상부에 그린시트를 한 층 또는 다수 층으로 적층하는 그린시트법 또는 세라믹 분말을 페이스트 형태로 만든 후 인쇄하는 스크린인쇄법 등에 의해 형성될 수 있다.
이때, 모체세라믹(60)은 절연세라믹베이스(10)의 상면 가장자리가 노출되도록 절연세라믹베이스(10)보다 작은 면적을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
모체세라믹(60)의 재질은, 예를 들어, 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물, 배리스터계 산화물 또는 서미스터계 산화물 중 어느 하나일 수 있다.
내부전극(30)은 ESD 유입에 따른 방전유도선로로서, 모체세라믹(60)의 내부에 스트립 패턴 형태로 형성되며 에어 갭(40)에 의해 분리된다.
이때, 분리된 내부전극(30)의 일단은 에어 갭(40) 내부에 노출되는 것이 바람직하며, 모체세라믹(60) 내에 형성되는 위치는 모체세라믹(60)의 두께를 기준으로 중간이나 상부 또는 하부에 치우칠 수 있다. 바람직하게, 내부전극(30)이 에어 갭(40) 내에 효과적으로 노출되기 위해서 모체세라믹(60)의 중간 이하에 위치될 수 있다.
내부전극(30)은 Ag, Pd, Pt, Au, Ni, Cu, Ag-Cu, Ag-Pd 중 어느 하나 이상으로 선택되어 적용될 수 있으며, 금속 페이스트를 이용한 스크린 인쇄법이나 스퍼터링 또는 도금 등의 방법으로 다양하게 형성할 수 있다.
여기서, 내부전극(30)을 금속 페이스트를 이용하여 형성하는 경우, 모체세라믹(60)의 두께 수축을 고려하여 페이스트 내의 금속 함량은 50wt% 내지 90wt% 범위로 포함될 수 있다.
상기한 바와 같이, 에어 갭(40)은 외부에서 유입되는 ESD를 방전시키기 위한 공간으로서, 모체세라믹(60)의 한 면에 다이싱 쏘(Dicing saw) 또는 레이저 트리밍 등의 기계적 가공을 통해 형성할 수 있다. 이와 달리, 에어 갭(40)은 모체세라믹(60)을 절연세라믹베이스(10)의 상부에 소정간격 이격하여 스크린 인쇄함으로써 형성할 수도 있다.
여기서, 에어 갭(40)은 그 단면이 일정한 폭을 갖는 슬롯(slot) 형상이나, 원형 또는 타원형으로 형성할 수 있다.
에어 갭(40)은, 예를 들어, 10 내지 300㎛의 폭으로 형성될 수 있으며, ESD에 대한 반응속도를 향상시키기 위해 200㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 에어 갭(40)의 폭은 요구되는 정전용량에 따라 달라질 수 있으며, 에어 갭(40)의 폭이 좁아지면 큰 정전용량을 갖고 넓어지면 작은 정정용량을 가지게 된다.
이러한 에어 갭(40)은 절연세라믹커버(20)에 의해 밀폐되고, 그 내부에는 절 연세라믹커버(20)를 형성하는 작업환경에 따라 진공으로 형성되거나 불활성 기체로 충진될 수 있다. 바람직하게는 ESD 반응성과 내량을 향상시키기 위해 에어 갭(40)의 내부는 불활성 기체로 충진될 수 있다.
절연세라믹커버(20)는 모체세라믹(60)을 보호하며 에어 갭(40)을 밀폐시키기 위한 것으로, 모체세라믹(60)을 감싸도록 형성된다.
이때, 절연세라믹커버(20)는 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물, 배리스터계 산화물, 서미스터계 산화물, 전기 저항, 글라스 또는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 등에 의해 그린시트 형태로 사전에 성형하여 사용될 수 있다.
이렇게 그린시트 형태로 성형된 절연세라믹커버(20)는 모체세라믹(60)을 감싸도록 절연세라믹베이스(10) 위에 적층되며, 그 후 압착과정 및 열처리과정을 거치면서 절연세라믹커버(20)가 절연세라믹베이스(10)의 상면에 노출된 가장자리부분에서 앵커링 형태의 접합구조를 가지면서 접합된다.
따라서, 절연세라믹베이스(10)와 절연세라믹커버(20)가 치밀하게 접합되므로, 모체세라믹(60)이 외부환경으로부터 보호되며 에어 갭(40)이 완전히 밀폐되어 안정적으로 형성될 수 있다.
외부전극(50)은 절연세라믹베이스(10)의 대향되는 양단부에 형성되며 디핑 방식에 형성될 수 있다. 또한, 외부전극(50)은 내부전극(30)과 전기적으로 연결되며, 내부전극(30)은 외부전극(50)을 통해 외부와 연결되어 외부에서 발생되는 ESD가 외부전극(50) 및 내부전극(30)을 따라 에어 갭(40)으로 유도되어 방전된다.
<제 2 실시 예의 제조방법>
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 ESD 보호소자의 제조공정을 도시한 제조공정도이다.
먼저, 도 4a에서와 같이, 사전에 소성되어 구비된 절연세라믹베이스(10) 위에 모체세라믹(60) 및 내부전극(30)이 형성된다. 이때, 절연세라믹베이스(10) 위에는 두께 방향으로 모체세라믹(60)의 일부가 형성되고, 그 위에 내부전극(30)이 형성된다.
이어, 도 4b와 같이, 모체세라믹(60)의 나머지가 적층되어 내부전극(30)은 모체세라믹(60) 내부에 형성된다.
여기서, 절연세라믹베이스(10)는, 예를 들어, 가로 50㎜이고 세로 60㎜이며 두께 0.40㎜를 갖는 96% 알루미나 기판을 1.5㎜ × 0.80㎜의 단위 칩으로 구획하여 형성될 수 있다.
또한, 모체세라믹(60)은 예를 들어, Al2O3-SiO2-MgO를 주성분으로 하는 LTCC 파우더 페이스트를 사용할 수 있다.
내부전극(30)은 절연세라믹베이스(10)의 길이 방향으로 스트립 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 내부전극(30)은 예를 들어, 78wt% 메탈 함량을 갖는 90% Ag-10% Pd 합금 페이스트를 스크린 인쇄법으로 형성할 수 있다.
이후, 도 4c에서와 같이, 모체세라믹(60)에 에어 갭(40)을 형성한다.
에어 갭(40)은 레이저 트리밍 등의 방법에 의해 형성될 수 있으며, 모체세라믹(60)과 내부전극(30)이 에어 갭(40)에 의해 분리되면서 내부전극(30)의 절단된 단부가 에어 갭(40)의 내부에 노출된다.
이렇게 모체세라믹(60)에 에어 갭(40)이 형성된 상태에서, 예를 들어, 850℃ 10min의 조건으로 열처리할 수 있다. 이에 따라, 모체세라믹(60)의 기계적 강도와 모체세라믹(60)과 내부전극(30)의 접합 강도가 향상된다.
이어, 도 4d에서와 같이, 모체세라믹(60)의 상부에 절연세라믹커버(20)가 형성된다.
이때, 절연세라믹커버(20)는 예를 들어, Bi2O3-ZnO-B2O3 계의 글라스 프릿과 PVB 바인더가 배합되어 60㎛ 정도의 두께를 갖는 그린시트 상태로 사전에 성형될 수 있으며, 에어 갭(40)이 형성된 모체세라믹(60) 위에 적층된다. 이후, 예를 들어, 대략 6000psi의 압력으로 대략 30min의 등수압 조건으로 압착하여 절연세라믹베이스(10) 및 모체세라믹(60)과 접합한다.
이후, 절연세라믹커버(20)는 탈 바인더 및 열처리를 통해 모체세라믹(60)에 접합된다.
이때, 절연세라믹커버(20)가 압착되면서 절연세라믹커버(20)에 함유된 폴리머 성분에 의해 신축성을 갖기 때문에 에어 갭(40)을 일부 메우게 된다. 하지만, 절연세라믹커버(20)의 열처리 과정을 통해 초기의 치밀화 단계를 거치고 이어 수축 현상이 발생하면서 에어 갭(40) 내부에 메워진 절연세라믹커버(20)가 들뜨게 되어 에어 갭(40)이 안정적으로 형성된다.
열처리는, 예를 들어, 공기 중에서 500℃ 30min 조건으로 진행될 수 있으며, 이러한 조건은 절연세라믹커버(20)의 재질에 의존하는 유리전이 온도와 관련하여 변경될 수 있다.
이러한 열처리는 불활성 기체 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 에어 갭(40) 내에 불활성 기체가 충진됨으로써, ESD에 대한 반응성 및 내량을 향상시킬 수 있다.
이후, 도 4e에서와 같이, 내부전극(30)과 전기적으로 연결되는 외부전극(50)이 형성된다.
이때, 외부전극(50)은, 예를 들어, 78wt% Ag를 포함하는 Ag 에폭시를 디핑 방법에 의해 부착될 수 있으며, 이를 열 경화하는 방법으로 제조하였다.
선택적으로 외부전극(50)을 형성하기 전에 절연세라믹커버(20)의 상부에 절연코팅층(도 5의 80)을 형성할 수 있다.
또한, 필요한 경우에 따라 외부전극(50) 위에 니켈, 주석 등의 솔더를 도금의 방법으로 적용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 제 3 실시 예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 절연세라믹베이스(10)와 모체세라믹(60) 사이에 버퍼세라 믹(70)이 형성된다.
버퍼세라믹(70)은 절연세라믹베이스(10)의 상부에 그린시트를 한 층 또는 다수 층으로 적층하는 그린시트법 또는 세라믹분말을 페이스트 형태로 만든 후 인쇄하는 스크린 인쇄법 등에 의해 형성될 수 있다.
이때, 버퍼세라믹(70)은, 예를 들어, 알루미늄계 산화물이나 실리콘계 산화물, 마그네슘계 산화물, 페라이트계 산화물, 배리스터계 산화물 또는 서미스터계 산화물에 의해 형성된 글라스 프릿(Frit) 또는 무기 안료가 첨가되어 있는 글라스 프릿에 의해 형성될 수 있다.
또한, 버퍼세라믹(70)은 절연세라믹커버(20)의 접합력을 향상시키기 위해 절연세라믹베이스(10)의 면적 이하로 형성되고, 모체세라믹(60)의 면적 이상으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 버퍼세라믹(70)은 절연세라믹베이스(10)보다 작고, 모체세라믹(60)보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이, 절연세라믹베이스(10)와 모체세라믹(60) 사이에 버퍼세라믹(70)을 형성함에 따라, 절연세라믹커버(20)와 절연세라믹기판(10)과의 접합력이 향상되어 모체세라믹(60)을 완전히 밀봉하게 된다. 또한, 접합면을 통해 침투되는 수분이나 기타 환경적인 불순물, 또는 절연세라믹베이스(10) 내에 존재하는 기공을 통해 침투할 수 있는 수분이나 기타 환경적인 불순물로부터 에어 갭(40)을 보호할 수 있다. 또한, 레이저 트리밍에 의해 에어 갭(40)을 형성할 때, 에어 갭(40)의 깊이를 제한하는 데 효과적이다.
이하, 본 발명에 따른 제 4 실시 예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내는 평면도이다.
도시된 바와 같이, 절연세라믹베이스(10)의 길이방향으로 다수의 내부전극(30)이 모체세라믹(60) 위에 일정 간격으로 형성되고, 각 내부전극(30)의 양단에는 외부전극(50)이 전기적으로 연결되도록 형성된다.
각 내부전극(30)은 절연세라믹베이스(10)의 길이방향으로 연장하는 에어 갭(40)에 의해 분리된다.
이러한 구성에 의하면, 다수의 ESD 보호소자가 병렬로 배열된 어레이형으로 제작이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 실시 예들에 있어서, 선택적으로 절연세라믹커버(20)의 부식이나 균열을 방지하기 위해 절연세라믹커버(20)의 상부에 절연코팅층(80)이 형성될 수 있다. 이러한 절연코팅층(80)의 재질은, 예를 들어, 절연 폴리머 수지 또는 글라스로 형성될 수 있다.
또한, 도시되진 않았지만 외부전극(50)의 외면에는 도금에 의해 금속층이 형성될 수 있다. 이때, 금속층은 외부전극(50)의 표면에 형성되는 니켈층과, 니켈층의 표면에 형성되는 주석층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자는 에어 갭을 공통접지단자와 전기적으로 연결되도록 형성하고 버퍼세라믹의 하부 또는 절연세라믹커버의 상 부에 대향되는 외부전극과 동일선상에 저항(R) 또는 인덕터(L)를 형성함으로써, 피드스루(Feed Through)형 EMI 필터로서의 기능을 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자가 상기와 같이 EMI 필터로 사용되는 경우 주파수 범위에 따른 삽입 손실을 측정한 값을 나타내는 그래프이다.
한편, 상기의 실시 예들에서 내부전극(30)과 외부전극(50)이 전기적으로 접촉되는 부분에서 접촉 저항 발생하는데, 접촉 저항의 크기가 무시할 수 없는 정도일 수 있다.
이에 대한 이유를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기한 바와 같이, 절연세라믹베이스(10)는, 예를 들어, 가로 50㎜이고 세로 60㎜이며 두께 0.40㎜를 갖는 96% 알루미나 기판을 1.5㎜ × 0.80㎜의 단위 칩으로 구획하여 형성될 수 있다.
따라서, 내부전극(30)과 외부전극(50)이 접촉하는 부분은 알루미나 기판상의 슬릿 라인(절단 라인)에 위치하는 부분이며, 내부전극 형성과정인 메탈 페이스트 인쇄 과정에서 슬릿 라인 위에 패턴이 형성되는 경우, 도 8b에 나타낸 것처럼 페이스트(31)는 슬릿 라인 안쪽으로 모세관 효과에 의해 빨려들어간다. 이 상태로 공정이 진행되면, 도 8a에 나타낸 것처럼, 슬릿 라인 부위에서의 내부전극(30)의 상태는 그물망 구조를 이루어 내부전극(30)과 외부전극(50)은 선 접촉이 아닌 점 접촉에 의해 접촉된다.
여기서, 도 8a는 내부전극과 외부전극의 접촉 부분을 위에서 본 평면 사진이고, 도 8b는 절단 후 측면에서 본 사진이다.
결과적으로, 내부전극(30)과 외부전극(50)의 접촉 불량이 되며, ESD 유입의 경우 소자가 ESD에 반응하지 않는다는 문제점이 발생한다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시 예에 의한 ESD 보호소자를 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 모체세라믹(60)의 외부로 연장하여 외부전극(50)과 접촉하는 내부전극(30) 부분 위에 보조 내부전극(80, 82)이 형성된 후, 그 위에 절연세라믹커버(20)가 전체적으로 덮인다.
보조 내부전극(80, 82)은 내부전극(30)과 동일한 재질로 형성하여 접촉 저항을 최소화하는 것이 바람직하다.
보조 내부전극(80, 82)은 도 4에 나타낸 제 2 실시 예의 제조공정 중에서 도 4c 공정 이후에 형성하는 것이 바람직하며, 도 4a 공정 직후에 형성할 수도 있다.
보조 내부전극(80, 82)은 메탈 페이스트에 의한 스크린 인쇄법을 적용하여 형성할 수 있으며, 850℃에서 10분간 열처리할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 도 10a에 나타낸 바와 같이, 내부전극(30, 80, 82)과 외부전극(50)이 선 접촉에 의해 전기적으로 접촉하며, 도 10b에 나타낸 것처럼 접촉하는 부분이 일정한 두께를 갖고 접촉하게 된다. 그 결과, 접촉 저항이 최소화되어 ESD 반응성이 향상되고 품질 불량을 사전에 방지할 수 있다.
여기서, 도 10a는 내부전극과 외부전극의 접촉 부분을 위에서 본 평면 사진 이고, 도 10b는 절단 후 측면에서 본 사진이다.
이와 같이, 보조 내부전극(80, 82)을 적용하여 ESD 보호소자를 제작한 경우, 도 12와 같이 유입되는 ESD를 짧은 시간에 제거할 수 있다는 이점이 있다. 여기서, 도 12는 IEC61000-4-2, Contact 8kV ESD 유입에 대한 ESD 감쇄 효과를 나타내는 그래프이다.
한편, 도 11a와 같이 보조 내부전극(80, 82)을 내부전극(30)의 폭과 동일하게 형성하거나, 도 11b와 같이 보조 내부전극(84, 86)을 절연세라믹베이스(10)의 폭과 동일하게 형성할 수 있다.
보조 내부전극(84, 86)을 절연세라믹베이스(10)의 폭과 동일하게 형성하는 경우, 보조 내부전극(84, 86)은 3면에서 외부전극(50)과 전기적으로 접촉하기 때문에 우수한 오믹 접촉을 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시 예에 국한되어서는 안 되며, 이하에 서술되는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 ESD 보호소자의 제조공정을 도시한 제조공정도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내며, 도 1의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 ESD 보호소자를 나타내는 평면도이다.
도 7은 EMI 필터의 주파수 범위에 따른 삽입 손실을 측정한 값을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 내부전극과 외부전극의 접촉 부분을 위에서 본 평면 사진이고, 도 8b는 절단 후 측면에서 본 사진이다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시 예에 의한 ESD 보호소자를 나타내는 단면도이다.
도 10a는 내부전극과 외부전극의 접촉 부분을 위에서 본 평면 사진이고, 도 10b는 절단 후 측면에서 본 사진이다.
도 11a는 보조 내부전극이 내부전극과 폭이 동일한 경우, 도 11b는 보조 내부전극이 절연세라믹베이스와 폭이 동일한 경우를 나타내는 평면도이다.
도 12는 제 5 실시 예에 의한 IEC61000-4-2, Contact 8kV ESD 유입에 대한 ESD 감쇄 효과를 나타내는 그래프이다.

Claims (20)

  1. 절연세라믹베이스;
    상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 절연세라믹커버;
    양단이 외부로 노출되고, 상기 절연세라믹커버의 내부에 또는 상기 절연세라믹베이스와 상기 절연세라믹커버의 접합 면에 수평으로 연장하는 내부전극; 및
    상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며,
    상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  2. 절연세라믹베이스;
    상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 모체세라믹;
    양단이 외부로 노출되고, 상기 모체세라믹 내부에 수평으로 연장하는 내부전극;
    상기 모체세라믹을 감싸도록 형성되고 상기 절연세라믹베이스와 접합하는 절연세라믹커버; 및
    상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며,
    상기 모체세라믹 내부에는 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  3. 절연세라믹베이스;
    상기 절연세라믹베이스 위에 형성되는 버퍼세라믹;
    상기 버퍼세라믹 위에 형성되는 모체세라믹;
    양단이 외부로 노출되고, 상기 모체세라믹 내부에 수평으로 연장하는 내부전극;
    상기 모체세라믹과 버퍼세라믹을 감싸도록 형성되고 상기 절연세라믹베이스와 접합하는 절연세라믹커버; 및
    상기 내부전극의 양단과 전기적으로 결합하는 외부전극을 포함하며,
    상기 모체세라믹 내부에는 상기 내부전극의 일정 부분을 전기적으로 분리하여 외부에서 상기 외부전극을 통해 유입되는 ESD를 방전하는 공간을 제공하기 위한 에어 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연세라믹커버는 그린시트가 상기 절연세라믹베이스 위에 압착되고 열처리 과정을 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연세라믹베이스는 산화알루미늄이나 질화알루미늄, 산화실리콘, 마그 네시아, 실리콘 웨이퍼 또는 LTCC 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어 갭은 다이싱 쏘(Dising saw) 또는 레이저(Laser) 트리밍에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어 갭은 10 내지 300㎛의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  8. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어 갭은 불활성 기체로 충진되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  9. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연세라믹커버는 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물 또는 LTCC 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  10. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 모체세라믹은 상기 절연세라믹베이스의 상면 가장자리가 노출되도록 상기 절연세라믹베이스보다 작은 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  11. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 모체세라믹은 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물 또는 LTCC 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 버퍼세라믹은 상기 절연세라믹베이스의 면적보다 작고 상기 모체세라믹의 면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 버퍼세라믹은 알루미나계 산화물이나 규소계 산화물, 마그네시아계 산화물, 페라이트계 산화물 또는 LTCC 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  14. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부전극은 상기 절연세라믹베이스의 길이방향으로 일정 간격으로 다수 개 배열되고,
    상기 외부전극은 상기 내부전극 각각의 노출된 양단에 전기적으로 결합하도록 형성되며,
    상기 각 내부전극은 상기 길이방향으로 연장 형성된 에어 갭에 의해 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  15. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연세라믹커버 위에 형성되는 절연코팅층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  16. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자는 EMI 필터로 사용되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  17. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부전극에서 상기 외부전극과의 접촉 부분에 보조 내부전극이 상기 내부전극 위에 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 내부전극과 상기 보조 내부전극은 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 보조 내부전극은 그 폭이 상기 절연세라믹베이스의 폭과 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 내부 보조전극은 메탈 페이스트에 의한 스크린 인쇄법을 적용하여 형성한 후 열처리하는 것을 특징으로 하는 저 정전용량을 갖는 ESD 보호소자.
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