WO2020202815A1

WO2020202815A1 - 硫化検出センサ、硫化検出センサの製造方法、硫化検出センサの実装方法

Info

Publication number: WO2020202815A1
Application number: PCT/JP2020/005316
Authority: WO
Inventors: 松本　健太郎
Original assignee: Koa株式会社
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-10-08
Also published as: JP2020169891A

Abstract

硫化の度合いを正確に検出することができる硫化検出センサと、そのような硫化検出センサの製造方法および実装方法を提供する。　硫化検出センサ（１０）は、絶縁基板（１）の表面上に設けられた硫化検出導体（２）および一対の内部電極（７）と、硫化検出導体（２）を覆う硫化ガス透過性の保護膜（３）と、絶縁基板（１）の裏面の長手方向両端部に設けられた一対の裏電極（４）と、絶縁基板（１）の長手方向両端面に設けられた一対の端面電極（５）と、内部電極（７）と裏電極（４）および端面電極（５）の表面に設けられたＮｉ材料からなる一対の耐熱バリヤー層（６）と、一対の耐熱バリヤー層（６）と保護膜（３）の表面を連続的に覆うＳｎ材料からなる外部電極（８）とを備えている。この硫化検出センサ（１０）を回路基板（１１）に半田接合すると、保護膜（３）を覆っていた外部電極（８）が半田喰われにより消失することにより、硫化検出導体（２）を覆う保護膜（３）が外部に露出する。

Description

硫化検出センサ、硫化検出センサの製造方法、硫化検出センサの実装方法

　本発明は、腐食環境の累積的な硫化量を検出するための硫化検出センサと、そのような硫化検出センサの製造方法および実装方法に関する。

　一般的にチップ抵抗器等の電子部品の内部電極としては、比抵抗の低いＡｇ（銀）系の電極材料が使用されているが、銀は硫化ガスに曝されると硫化銀となり、硫化銀は絶縁物であることから、電子部品が断線してしまうという不具合が発生してしまう。そこで近年では、ＡｇにＰｄ（パラジウム）やＡｕ（金）を添加して硫化しにくい電極を形成したり、電極に硫化ガスが到達しにくい構造とする等の硫化対策が講じられている。

　しかし、このような硫化対策を電子部品に講じたとしても、当該電子部品が硫化ガス中に長期間曝された場合や高濃度の硫化ガスに曝された場合は、断線を完全に防ぐことが難しくなるため、未然に断線を検知して予期せぬタイミングでの故障発生を防止することが必要となる。

　そこで従来より、特許文献１に記載されているように、電子部品の累積的な硫化の度合いを検出して、電子部品が硫化断線する等して故障する前に危険性を検出可能とした硫化検出センサが提案されている。

　特許文献１に記載された硫化検出センサは、絶縁基板上にＡｇを主体とした硫化検出導体を形成し、この硫化検出導体を覆うように透明で硫化ガス透過性のある保護膜を形成すると共に、絶縁基板の両側端部に硫化検出導体に接続する端面電極を形成した構成となっている。このように構成された硫化検出センサは、硫化ガスを含む雰囲気中に配置されると、時間経過に伴って硫化ガスが保護膜を透過して硫化検出導体に接するため、硫化ガスの濃度と経過時間に応じて硫化検出導体が硫化されていく。硫化検出導体は、硫化の度合いが進むにつれて銀色から薄茶色、紫色、灰色、黒色の順に変化していき、また、硫化検出導体を構成する銀が硫化銀に変化するため、硫化の度合いが進むにつれて抵抗値が次第に上昇していく。

　そして、チップ抵抗器等の他の電子部品が実装されている回路基板に硫化検出回路を設けると共に、この硫化検出回路に上記構成の硫化検出センサを接続しておき、硫化の度合いに伴って変化する硫化検出導体に光を照射することによる反射光の光量を検出したり、硫化の度合いに伴って変化する硫化検出導体の抵抗値を検出することにより、累積的な硫化の度合いを検出するようにしている。

特開２００９－２５０６１１号公報

　しかし、硫化検出センサ等の電子部品は、製造されてから回路基板に搭載されて使用されるまでの時間がバラバラであるため、その間に上記構成の硫化検出センサが硫化ガスに曝されてしまうと、回路基板に搭載される前に硫化検出導体が硫化されてしまうことになる。すなわち、硫化検出センサの保管場所等の外部環境により、回路基板に搭載する時点で硫化検出導体の硫化がある程度進行していることがあるため、累積的な硫化の度合いを正確に検出することができなくなる。

　本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、硫化の度合いを正確に検出することができる硫化検出センサを提供することにあり、第２の目的は、そのような硫化検出センサの製造方法を提供することにあり、第３の目的は、そのような硫化検出センサの実装方法を提供することにある。

　上記第１の目的を達成するために、本発明の硫化検出センサは、直方体形状の絶縁基板と、この絶縁基板の主面上の両端部に設けられた一対の内部電極と、これら一対の内部電極間に設けられた硫化検出導体と、この硫化検出導体を覆うように設けられた硫化ガス透過性の保護膜と、この保護膜の両端部に前記内部電極を覆うように設けられたニッケルを主成分とする一対の耐熱バリヤー電極と、これら一対の耐熱バリヤー電極を覆う半田材料からなる外部電極とを備え、一対の前記耐熱バリヤー電極を覆う前記外部電極は、前記保護膜を覆う位置まで連続して設けられていることを特徴としている。

　このように構成された硫化検出センサでは、硫化検出導体を覆っている硫化ガス透過性の保護膜が半田材料からなる外部電極で覆われているため、回路基板に搭載されるまでの保管時や搬送時等の非使用中に硫化ガスに曝されたとしても、硫化ガスの遮断機能を有する外部電極によって硫化検出導体の硫化が阻止される。そして、硫化検出センサを回路基板に搭載した後、外部電極を回路基板の配線パターンに半田接合すると、ニッケルを主成分とする耐熱バリヤー電極を覆う位置に設けられていた外部電極は絶縁基板の両端部に残るが、保護膜を覆う位置に設けられていた外部電極は、半田喰われにより耐熱バリヤー電極を覆う外部電極側に吸収されて消失する。その結果、硫化検出導体を覆っている硫化ガス透過性の保護膜が外部に露出するため、使用時には保護膜を透して硫化する硫化検出導体によって硫化の度合いを正確に検出することができる。

　上記第２の目的を達成するために、本発明による硫化検出センサの製造方法は、絶縁基板の主面に銀を主成分とする硫化検出体と該硫化検出体の両端部に連続する一対の内部電極とを形成する工程と、前記硫化検出体の表面に硫化ガス透過性の保護膜を形成する工程と、前記内部電極を覆うようにニッケルを主成分とする一対の耐熱バリヤー電極を形成する工程と、一対の前記耐熱バリヤー電極と前記保護膜を連続的に覆う半田材料からなる外部電極を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

　上記第３の目的を達成するために、本発明による硫化検出センサの実装方法は、上記構成の硫化検出センサを回路基板に搭載し、前記外部電極と前記回路基板の配線パターンとの間を半田接合するときに、前記保護膜を覆っている前記外部電極が、溶融半田に溶け出して前記耐熱バリヤー電極を覆う前記外部電極側に吸収されて消失することにより、硫化ガス透過性の前記保護膜を外部に露出させるようにしたことを特徴としている。

　このように外部電極によって耐熱バリヤー電極と保護膜が覆われている硫化検出センサを回路基板に搭載した後、回路基板の配線パターンに半田接合すると、ニッケルを主成分とする耐熱バリヤー電極を覆う位置に設けられていた外部電極は絶縁基板の両端部上に残るが、保護膜を覆う位置に設けられていた外部電極が、半田喰われにより耐熱バリヤー電極を覆う外部電極側に吸収されて消失するため、硫化検出導体を覆う硫化ガス透過性の保護膜が外部に露出する。これにより、硫化検出センサが回路基板に搭載されるまでの保管時や搬送時等の非使用中に硫化ガスに曝されたとしても、硫化ガスの遮断機能を有する外部電極によって硫化検出導体の硫化を阻止することができ、硫化検出センサを回路基板に実装後の使用状態では、保護膜を透して硫化する硫化検出導体によって硫化の度合いを正確に検出することができる。

　本発明によれば、回路基板に実装する前の非使用時に硫化検出センサが不所望に硫化してしまうことを防止できると共に、回路基板に実装後は硫化の度合いを正確に検出することができる。

本発明の実施形態例に係る硫化検出センサの平面図である。図１のII－II線に沿う断面図である。該硫化検出センサの製造工程を示す平面図である。該硫化検出センサの製造工程を示す断面図である。該硫化検出センサを回路基板に実装する手順を示す説明図である。

　以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明すると、図１は本発明の実施形態例に係る硫化検出センサの平面図、図２（ａ），（ｂ）は図１のII－II線に沿う断面図である。

　図１と図２に示すように、本実施形態例に係る硫化検出センサ１０は、直方体形状の絶縁基板１と、絶縁基板１の表面上に設けられた硫化検出導体２および一対の内部電極７と、この硫化検出導体２を覆うように設けられた保護膜３と、絶縁基板１の裏面の長手方向両端部に設けられた一対の裏電極４と、絶縁基板１の長手方向両端面に設けられた一対の端面電極５と、内部電極７とそれに対応する裏電極４および端面電極５の表面に設けられた一対の耐熱バリヤー層６と、これら耐熱バリヤー層６と保護膜３を連続的に覆うように設けられた外部電極８と、によって主として構成されている。

　絶縁基板１は、後述する大判基板を縦横の分割溝に沿って分割して多数個取りされたものであり、大判基板の主成分はアルミナを主成分とするセラミックス基板である。

　硫化検出導体２と一対の内部電極７は、銀を主成分とするＡｇ系ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成したものである。ここで、硫化検出導体２と一対の内部電極７は、図２（ａ）に示すように、別々に形成されて連続する構造としても良く、図２（ｂ）に示すように、同時形成されて膜厚が均一の一体構造としても良い。

　保護膜３は、硫化ガス透過性の材料からなり、シリコン樹脂やフッ素樹脂等の樹脂ペースト等をスクリーン印刷して加熱硬化させたものである。後述するように、硫化検出センサ１０が回路基板に実装されて硫化ガスの検出に使用される際に、保護膜３は硫化検出導体２を覆って外部に露出するようになっており、その際に保護膜３が硫化検出導体２に対する外部からの接触や湿度等の影響を受け難くしている。

　一対の裏電極４は銀を主成分とするＡｇ系ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成したものであり、これら裏電極４と硫化検出導体２および内部電極７は、別工程で形成しても良いが、同時に形成しても良い。

　一対の端面電極５は、絶縁基板１の端面にＮｉ／Ｃｒをスパッタしたり、Ａｇ系ペーストを塗布して加熱硬化させたものであり、これら端面電極５は内部電極７とそれに対応する裏電極４との間を導通するように形成されている。

　一対の耐熱バリヤー層６は電解メッキによって形成されたＮｉメッキ層であり、これら耐熱バリヤー層６により、内部電極７と端面電極５および裏電極４の表面とが断面コ字状に被覆されている。

　一対の外部電極８は電解メッキによって形成されたＳｎメッキ層であり、この外部電極８によって一対の耐熱バリヤー層６と保護膜３の表面が連続的に被覆されている。

　次に、このように構成された硫化検出センサ１０のうち、図２（ｂ）に示す構成の硫化検出センサ１０の製造工程について、図３と図４を用いて説明する。なお、図３（ａ）～（ｆ）はこの製造工程で用いられる大判基板を表面的に見た平面図、図４（ａ）～（ｆ）は図３（ａ）～（ｆ）の長手方向中央部に沿った１チップ相当分の断面図をそれぞれ示している。

　まず、図３（ａ）と図４（ａ）に示すように、絶縁基板１が多数個取りされる大判基板１０Ａを準備する。この大判基板１０Ａには予め１次分割溝と２次分割溝が格子状に設けられており、両分割溝によって区切られたマス目の１つ１つが１個分のチップ領域となる。図３には１個分のチップ領域に相当する大判基板１０Ａが代表して示されているが、実際は多数個分のチップ領域に相当する大判基板に対して以下に説明する各工程が一括して行われる。

　すなわち、図３（ｂ）と図４（ｂ）に示すように、この大判基板１０Ａの表面にＡｇを主成分とするＡｇ系ペーストをスクリーン印刷した後、これを乾燥・焼成することにより、大判基板１０Ａの表面全体を覆う硫化検出導体２と一対の内部電極７とを同時に形成する。また、これと同時あるいは前後して、大判基板１０Ａの裏面にＡｇ系ペーストをスクリーン印刷した後、これを乾燥・焼成することにより、所定間隔を存して対向する一対の裏電極４を形成する。なお、図３（ｂ）と図４（ｂ）に示すように、硫化検出導体２と内部電極７を同時に形成した場合は、図中の中央部分が硫化検出導体２、両端部分が一対の内部電極７となる。ただし、硫化検出導体２と内部電極７は別々に形成しても良く、その場合、一対の内部電極７を所定間隔を存して形成した後、その間に硫化検出導体２を形成して端部どうしを重ね合わせれば良い（図２（ａ）参照）。

　次に、一対の内部電極７間に位置する硫化検出導体２を覆うようにシリコン樹脂やフッ素樹脂等の樹脂ペースト等をスクリーン印刷し、これを加熱硬化することにより、図３（ｃ）と図４（ｃ）に示すように、硫化検出導体２を覆う硫化ガス透過性の保護膜３を形成する。この保護膜３は硫化検出導体２だけを覆っており、一対の内部電極７は保護膜３に覆われずに露出している。

　次に、大判基板１０Ａを１次分割溝に沿って短冊状基板１０Ｂに１次分割した後、短冊状基板１０Ｂの分割面にＮｉ／Ｃｒをスパッタすることにより、図３（ｄ）と図４（ｄ）に示すように、硫化検出導体２の長手方向両端部とそれに対応する裏電極４との間を接続する一対の端面電極５を形成する。なお、短冊状基板１０Ｂの分割面にＮｉ／Ｃｒをスパッタする代わりに、Ａｇ系ペーストを塗布して加熱硬化させることにより端面電極５を形成するようにしても良い。

　次に、短冊状基板１０Ｂに対して電解メッキを施してＮｉメッキ層を形成することにより、図３（ｅ）と図４（ｅ）に示すように、内部電極７と端面電極５および裏電極４の表面とを覆う一対の耐熱バリヤー層６を形成する。

　次に、保護膜３を覆うようにＳｎスパッタ等を行う下処理をした後、短冊状基板１０Ｂを２次分割溝に沿って複数のチップ状基板１０Ｃに２次分割し、これらチップ状基板１０Ｃに対して電解メッキを施してＳｎメッキ層を形成することにより、図３（ｆ）と図４（ｆ）に示すように、耐熱バリヤー層６の表面全体と保護膜３の表面を連続的に覆う外部電極８を形成する。これにより、図１と図２（ｂ）に示す硫化検出センサ１０が完成する。

　このように構成された硫化検出センサ１０は、他の電子部品と共に回路基板に実装された後、該回路基板を硫化ガスを含む雰囲気に曝すことで使用されるが、回路基板に搭載されるまでの非使用中（保管時や搬送時等）において、硫化検出導体２は硫化ガス非透過性の外部電極８とによって覆われている。このため、硫化検出センサ１０が回路基板に搭載されるまでの非使用中に硫化ガスに曝されたとしても、硫化検出導体２が硫化されてしまうことはなく、その状態を回路基板に実装するまで維持することができる。

　図５は硫化検出センサ１０を回路基板１１に実装する手順を示す断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、回路基板１１の表面に設けられた配線パターン１２に予めクリーム半田１３ａを塗布し、この配線パターン１２上に絶縁基板１の表面（主面）を上向きにした姿勢で硫化検出センサ１０を搭載した後、回路基板１１の配線パターン１２と硫化検出センサ１０の外部電極８との間を半田１３で固着する。半田１３はスズを主成分とする鉛フリーはんだ（例えばＳｎ９６．５％－Ａｇ３％－Ｃｕ０．５％）であり、配線パターン１２上に塗布したクリーム半田１３ａをリフロー炉の熱で溶融した後、これを冷却・固化することにより配線パターン１２と外部電極８間が半田１３で接合される。

　かかる半田接合時に、保護膜３と耐熱バリヤー層６を覆う外部電極８が半田材料（Ｓｎ）からなるため、図５（ｂ）に示すように、保護膜３を覆っていた外部電極８が半田喰われにより耐熱バリヤー層６を覆う外部電極８側に吸収されて消失し、その結果、硫化検出導体２を覆う保護膜３が外部に露出する。なお、Ｎｉメッキ層からなる耐熱バリヤー層６に半田喰われは起こらず、耐熱バリヤー層６の上面から端面にかけて半田フィレットが形成される。これにより、硫化検出センサ１０が回路基板１１に搭載されるまでの保管時や搬送時等の非使用中に硫化ガスに曝されたとしても、硫化ガスの遮断機能を有する外部電極８によって硫化検出導体２の硫化を阻止することができ、硫化検出センサ１０を回路基板１１に実装後の使用状態では、保護膜３を透して硫化する硫化検出導体２によって硫化の度合いを正確に検出することができる。

　以上説明したように、本実施形態例に係る硫化検出センサ１０では、硫化ガス透過性の保護膜３が半田材料からなる外部電極８によって覆われているため、回路基板１１に搭載されるまでの保管時や搬送時等の非使用中に硫化ガスに曝されたとしても、硫化ガスの遮断機能を有する外部電極８によって硫化検出導体２の硫化が阻止される。そして、硫化検出センサ１０を回路基板１１に搭載した後、外部電極８を回路基板１１の配線パターン１２に半田接合すると、Ｎｉメッキ層からなる耐熱バリヤー層６を覆っていた外部電極８は絶縁基板１の両端部に残るが、保護膜３を覆っていた外部電極８が半田喰われにより消失し、硫化検出導体２を覆う保護膜３が外部に露出するため、回路基板１１に実装後の使用状態では、保護膜３を透して硫化する硫化検出導体２によって硫化の度合いを正確に検出することができる

　１０　硫化検出センサ
　１　絶縁基板
　２　硫化検出導体
　３　保護膜
　４　裏電極
　５　端面電極
　６　耐熱バリヤー層
　７　内部電極
　８　外部電極
　１０Ａ　大判基板
　１０Ｂ　短冊状基板
　１０Ｃ　チップ状基板
　１１　回路基板
　１２　配線パターン
　１３　半田

Claims

　直方体形状の絶縁基板と、この絶縁基板の主面上の両端部に設けられた一対の内部電極と、これら一対の内部電極間に設けられた硫化検出導体と、この硫化検出導体を覆うように設けられた硫化ガス透過性の保護膜と、この保護膜の両端部に前記内部電極を覆うように設けられたニッケルを主成分とする一対の耐熱バリヤー電極と、これら一対の耐熱バリヤー電極を覆う半田材料からなる外部電極とを備え、
　一対の前記耐熱バリヤー電極を覆う前記外部電極は、前記保護膜を覆う位置まで連続して設けられていることを特徴とする硫化検出センサ。
　絶縁基板の主面に銀を主成分とする硫化検出体と該硫化検出体の両端部に連続する一対の内部電極とを形成する工程と、
　前記硫化検出体の表面に硫化ガス透過性の保護膜を形成する工程と、
　前記内部電極を覆うようにニッケルを主成分とする一対の耐熱バリヤー電極を形成する工程と、
　一対の前記耐熱バリヤー電極と前記保護膜を連続的に覆う半田材料からなる外部電極を形成する工程と、
　を含むことを特徴とする硫化検出センサの製造方法。
　請求項１に記載の硫化検出センサを回路基板に搭載し、前記外部電極と前記回路基板の配線パターンとの間を半田接合するときに、前記保護膜を覆っている前記外部電極が、溶融半田に溶け出して前記耐熱バリヤー電極を覆う前記外部電極側に吸収されて消失することにより、前記保護膜を外部に露出させるようにしたことを特徴とする硫化検出センサの実装方法。