JP2017204547A - 積層バリスタ - Google Patents

Abstract

【課題】積層バリスタ内部で生じた熱を内部電極を通して積層バリスタの表面に設けられた放熱導体部に放熱する従来の積層バリスタの構成では、積層バリスタの内部で発生した熱を十分に積層バリスタ外部へ放熱させることができない。【解決手段】本開示の積層バリスタは、第１内部電極と第２内部電極とからなる一対の内部電極と、第１外部電極および第２外部電極とからなる一対の内部電極とに接続されていない内部金属層がバリスタ層の内部に設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、サージや静電気から半導体素子等を保護する積層バリスタに関する。

自動車の電子制御ユニットに搭載される半導体素子がサージ電流により損傷すると電子制御ユニットは作動に支障をきたし、場合によっては自動車に深刻な障害をまねく可能性がある。自動車の電子制御ユニットにおけるサージ電流としては、例えばロードダンプサージがあげられる。このロードダンプサージから半導体素子を保護する部品として積層バリスタが用いられている。

積層バリスタは、電圧非直線性を示すセラミック材料からなり、各種電子機器におけるサージ電流の対策部品として広く利用されている。

従来の積層バリスタとしては、特許文献１があげられる。

特開２００６−８６２７４号公報

特許文献１には、積層バリスタ内部で生じた熱を内部電極から積層バリスタの表面に設けられた放熱導体部に放熱する技術が開示されている。

しかしながら、熱を内部電極から積層バリスタの表面に設けられた放熱導体部へ放熱するだけでは十分に放熱することができない。

本開示の積層バリスタは、バリスタ層を含み第１面と、第１面と反対側の第２面とを有する素体と、素体の内部に設けられ一端が第１面に露出している第１内部電極と、素体の内部に設けられ、バリスタ層を介して第１内部電極と対向し一端が第２面に露出している第２内部電極を有する。さらに素体の第１面に設けられ第１内部電極の一端と接続している第１外部電極と、素体の前記第２面に設けられ第２内部電極の一端と接続している第２外部電極とを備える。バリスタ層の内部には、第１内部電極、第２内部電極、第１外部電極および第２外部電極に接続されていない内部金属層が設けられている。

以上の構成により、本開示の積層バリスタは、特にバリスタ層の内部で発生した熱の多くを放熱させることができる。

実施の形態１における積層バリスタの斜視図 図１の積層バリスタにおける分解図 図２の積層バリスタにおけるｉｉｉ−ｉｉｉ線における断面図 図１の積層バリスタにおける透視平面図

以下で説明する実施の形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

積層バリスタが搭載されている電子機器が通常に作動している状態において、積層バリスタは単に抵抗体として電子機器の回路上に存在する。この積層バリスタに過電圧が印加されると、積層バリスタの抵抗値が下がり積層バリスタにサージ電流が流れサージ電流を吸収し、半導体素子はサージ電流から保護される。また積層バリスタは、積層バリスタ自体がサージ電流により破壊されてはならない。積層バリスタがサージ電流により破壊されてしまうと、例えば内部電極間がショートし電子機器の作動に支障をきたす恐れがある。よって、積層バリスタは、サージ電流の吸収特性に加えてサージ電流によって破壊されないサージ耐性も求められる。

自動車の電子制御ユニットに搭載される積層バリスタは、ＩＣＴの電子機器で課題となる静電気よりもエネルギーが高いロードダンプサージに対する吸収特性とサージ耐性が求められる。

ロードダンプサージに対する積層バリスタのサージ耐性の評価方法の１つとしては過電圧試験があげられる。この過電圧試験は、積層バリスタに一定の電圧を印加し続け、積層バリスタの電気特性の劣化、あるいはバリスタ内部に構造欠陥が発生しないかを評価する。サージ耐性の低いバリスタは、過電圧試験により積層バリスタの内部が高温になり、場合によっては積層バリスタの一部分が溶融し、内部に構造欠陥が発生してしまう。

以上、過電圧試験により積層バリスタの内部で発生した熱を効率よく放熱することが可能な積層バリスタについて以下に説明する。
（実施の形態）
[１．積層バリスタについて]
図１は実施の形態における積層バリスタの斜視図である。図２は、図１の積層バリスタにおける素体１０の内部を示す分解図である。図３は、図２の積層バリスタにおけるｉｉｉ−ｉｉｉ線の断面図である。図４は、図１の積層バリスタの透視平面図である。

積層バリスタ１００は、内部にバリスタ層１０ａと、２つの無効層１０ｂとからなる素体１０を有する。バリスタ層１０ａと無効層１０ｂは、ともに酸化亜鉛を主成分とする。バリスタ層１０ａは積層バリスタ１００として機能し、２つの無効層１０ｂは実質的に積層バリスタとして機能しない。素体１０は、面ＳＡと、面ＳＡと反対側の面ＳＢとを有する。素体１０は、面ＳＡと面ＳＢに接続している面ＳＣと、面ＳＡと面ＳＢに接続し面ＳＣと反対側の面ＳＤを有する。すなわち素体１０は、直方体の形状を有する。素体１０の内部には面ＳＡに一端が露出している内部電極１１と、面ＳＢに一端が露出している内部電極１２とが設けられている。内部電極１１と内部電極１２との間にはバリスタ層１０ａが設けられている。面ＳＡには、内部電極１１と電気的に接続している外部電極１３が設けられている。面ＳＢには、内部電極１２と電気的に接続している外部電極１４が設けられている。バリスタ層１０ａの内部には、面ＳＣに露出している内部金属層１５と、面ＳＤに露出している内部金属層１６が設けられている。内部金属層１５と内部金属層１６は、互いに略同一の形状を有し、バリスタ層１０ａの一部分を介して互いに対向する端面を有する。

内部金属層１５と内部金属層１６とは、上面視で面ＳＣからの距離と面ＳＤからの距離とが互いに等しい断面ＣＢを境にして、互いに略対称に設けられている。

内部金属層１５と内部金属層１６のそれぞれは、上面視で面ＳＡからの距離と面ＳＢからの距離とが互いに等しい断面ＣＡを境に略対称に設けられている。

面ＳＣには、外部金属層１７が設けられ、外部金属層１７は内部金属層１５と接続している。面ＳＤには、外部金属層１８が設けられ、外部金属層１８は内部金属層１６と接続している。

内部電極１１、内部電極１２、外部電極１３、外部電極１４、内部金属層１５、内部金属層１６、外部金属層１７および外部金属層１８はいずれも金属からなる。

内部金属層１５、内部金属層１６、外部金属層１７および外部金属層１８は、いずれも内部電極１１、内部電極１２、外部電極１３および外部電極１４には接続していない。すなわち、バリスタとして機能する電極は、内部電極１１、内部電極１２、外部電極１３と外部電極１４であり、内部金属層１５、内部金属層１６、外部金属層１７および外部金属層１８は、積層バリスタ１００として実質的に機能しない。

外部電極１３と外部電極１４は、実装基板の電極に実装され各種電気機器の電気回路に接続される。外部金属層１７と外部金属層１８は、実装基板の電極に実装されるが各種電気機器の電気回路には接続されない。すなわち、外部金属層１７と外部金属層１８は、常に電位が０であるグランド電極に実装される。

以下、本開示の積層バリスタ１００の作用効果について説明する。

酸化亜鉛よりも熱伝導率が高い金属からなる内部金属層１５と内部金属層１６を、酸化亜鉛を主成分とするバリスタ層１０ａの内部に設けることで、熱を素体１０の内部における広範囲に放熱させることができる。結果、バリスタ層１０ａの一部分が溶融し、積層バリスタの内部に構造欠陥が発生するのを抑制することができる。また、内部金属層１５と内部金属層１６は、積層バリスタ１００の電気特性に実質的に影響を与えるものではないので形状は制限されない。一方で、特許文献１の積層バリスタは、積層バリスタの電気特性に直接的に影響を与える内部電極を介して熱を放熱させるため、積層バリスタの所望の電気特性によって内部電極の形状が制限される。すなわち、特許文献１の積層バリスタよりも、本開示の積層バリスタ１００の方が設計の自由度が高い。

内部金属層１５と内部金属層１６を外部金属層１７と外部金属層１８とのそれぞれに接続させることでバリスタ層１０ａの内部で発生した熱をより効率的にバリスタ層１０ａの外部へ放熱させることができる。また、外部金属層１７と外部金属層１８とを電位が０のグランドに接続させることでさらに効率的に熱を放熱させることができる。

ここで、過電圧試験によって発生する熱は、上面視で内部電極１１と内部電極１２の間におけるバリスタ層１０ａの中央部ＣＣで多く発生する傾向がある。すなわち、中央部ＣＣは比較的高温になりやすい。よって、積層バリスタ１００としては、バリスタ層１０ａの中央部ＣＣの周辺に熱が滞留しない構成が好ましい。バリスタ層１０ａの中央部ＣＣに熱が滞留しない構成としてはバリスタ層１０ａの中央部ＣＣに内部金属層１５、内部金属層１６のいずれかを設けて、中央部ＣＣから外部に熱を放熱する構成があげられる。しかしながら内部金属層１５および内部金属層１６の構成材料に用いられる金属は、バリスタ層１０ａに用いられる酸化亜鉛よりも融点が低く溶融しやすいため内部金属層１５および内部金属層１６を中央部ＣＣに設ける構成は好ましくない。以上より、積層バリスタ１００は、バリスタ層１０ａの中央部ＣＣにはバリスタ層１０ａが設けられている構成が好ましい。言い換えれば、面ＳＣと面ＳＤとからの距離が等しい断面ＣＡと、面ＳＡと面ＳＢ
とからの距離が等しい断面ＣＢとが交差する中央部ＣＣには、内部金属層１５および内部金属層１６を設けることなく、バリスタ層１０ａが設けられる構成が好ましい。

また、バリスタ層１０ａの内部で発生した熱を放熱するための内部金属層１５と内部金属層１６とを、積層バリスタ１００の中心線となる断面ＣＢを境に対称に設けることで、積層バリスタ１００の内部における温度分布が均一になる。積層バリスタ１００の内部における温度分布を均一にすることでバリスタ層１０ａの一部分のみが高温になり溶融し、積層バリスタ１００の内部に構造欠陥が発生するのを抑制することができる。

以下、本開示の積層バリスタ１００の各構成要素について詳細に説明する。

ロードダンプサージに有用な本開示の積層バリスタ１００は、例えばＩＣＴの電子機器で課題となる静電気対策の積層バリスタと比較して外形寸法が大きい。これは積層バリスタ１００の外形寸法が大きいほどサージ電流の吸収特性が向上するためである。以上より、本開示の積層バリスタ１００は直方体形状を有し、その外形寸法は、長手方向が３．０ｍｍ以上８．０以下、短手方向が１．６ｍｍ以上７．０ｍｍ以下、厚み方向が１．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下が好ましい。各寸法の下限値が先に説明した下限値以上であることで、積層バリスタ１００は、サージ電流の高い吸収特性を有し、各寸法の上限値が先に説明した上限値以下であることで積層バリスタ１００の実装面積が小さくなる。

また、内部金属層１５および内部金属層１６の厚みは、それぞれ１．０μｍ以上３．０μｍ以下が好ましい。内部金属層１５および内部金属層１６の厚みをそれぞれ１．０μｍ以上にすることで高い放熱特性を実現し、３．０μｍ以下にすることで積層バリスタ１００における所望の電気特性を実現することができる。

なお、内部金属層１５および内部金属層１６のそれぞれは、バリスタ層１０ａの内部で積層方向に重なる分離された２つとして形成されていてもよい。一般的に内部金属層１５および内部金属層１６のような金属層は、スクリーン印刷法により金属ペーストをグリーンシートに印刷して形成される。このとき、金属ペーストの厚みが厚いと金属ペーストがグリーンシート上でにじみ、所望の印刷形状が得られない場合がある。すなわち、金属ペーストを２つのグリーンシートに分けて形成することで、一度に印刷する金属ペーストの厚みが低減し、金属ペーストのにじみの発生を抑制することができる。このとき、内部金属層１５および内部金属層１６の厚みのそれぞれは、２つに分離した内部金属層１５および内部金属層１６の厚みの合算値が１．０μｍ以上３．０μｍ以下とすることで、上記同様の効果を奏することができる。

積層バリスタ１００における素体１０のうち積層バリスタ１００の電気特性に直接的に寄与するバリスタ層１０ａの主成分は、酸化亜鉛からなる。バリスタ層１０ａの副成分は、例えばプラセオ、ビスマスまたはストロンチウムのいずれかに大別される。バリスタ層１０ａの副成分は、積層バリスタ１００における所望の電気特性により適宜選択することができる。無効層１０ｂは、実質的に積層バリスタ１００の電気特性に寄与しないため、構成される材料は限定されない。しかしながら、無効層１０ｂの構成材料をバリスタ層１０ａと同様の構成材料とすることで製造工程が簡素化されより好ましい。

内部電極１１、内部電極１２、内部金属層１５および内部金属層１６は、例えば銀、銅、金、パラジウム等から選択される。または銀、銅、金、パラジウムから選ばれる各種合金を用いることもできる。なお、素体１０と、内部電極１１、内部電極１２、内部金属層１５および内部金属層１６とは、同時焼成して形成されるためそれぞれの焼成温度を鑑みて近しい温度で焼成が可能な材料を選択することが好ましい。

外部電極１３、外部電極１４、外部金属層１７および外部金属層１８も内部電極と同様に例えば銀、銅、金、パラジウム等から選択される。または銀、銅、金、パラジウムから選択される合金を用いることもできる。

また、外部電極１３、外部電極１４の表面にめっきにより生成されたニッケル電極を設けてもよい。外部電極１３および外部電極１４の表面にニッケル電極を設けることで外気の酸素による外部電極１３および外部電極１４の酸化を抑制することができる。さらに、ニッケル電極の表面にスズ電極を設けてもよい。スズは、ニッケルと比較して半田に対する濡れ性がよく、積層バリスタ１００を実装基板に半田実装する際に適している。

なお、本開示の積層バリスタ１００においては、バリスタ層１０ａ、内部電極１１と内部電極１２をそれぞれ１つ開示したが、バリスタ層１０ａ、内部電極１１と内部電極１２をそれぞれ複数設けても良い。また、バリスタ層１０ａを複数設けた場合は、内部金属層１５および内部金属層１６も複数設けられる。また、バリスタ層１０ａを複数設けたとしても全てのバリスタ層１０ａに内部金属層１５および内部金属層１６を設ける必要はない。すなわち、本開示の積層バリスタ１００においては、少なくても１つのバリスタ層１０ａに内部金属層１５および内部金属層１６をそれぞれ１つ設けることで、本開示の積層バリスタ１００としての効果を奏することができる。
[２．バリスタの製造方法について]
積層バリスタ１００の製造方法について説明する。

まず、素体１０の原材料として主成分である酸化亜鉛粉末と、副成分である炭酸ストロンチウム粉末、炭酸バリウム粉末、炭酸カルシウム粉末、酸化コバルト粉末のセラミック粉末を準備した。これらセラミック粉末に有機バインダ、溶剤および可塑剤を加えて混合してスラリーを作製した後、このスラリーをドクターブレード法により成形して複数のグリーンシートを作製する。

次に、複数のグリーンシートのうちの一部のグリーンシートに内部電極１１、内部電極１２、内部金属層１５および内部金属層１６の原材料である銅ペーストをスクリーン印刷により所定の形状に形成する。銅ペースト層を形成したグリーンシートと、銅ペースト層を形成していないグリーンシートとを所望の積層バリスタ１００の構成になるように積層、加圧してシート積層体を得る。このシート積層体を所望の寸法に切断してシート積層体を個片に分離する。

次に個片の切断面から露出している内部電極１１、内部電極１２、内部金属層１５および内部金属層１６の銅ペースト層に接続するように外部電極１３、外部電極１４、外部金属層１７および外部金属層１８の原材料である銅ペーストを塗布し、１００℃で加熱して銅ペーストを乾燥させる。

次にこの個片を窒素中で４００℃の温度で加熱して、グリーンシートに含まれる有機バインダを揮発させた後、１０４０℃の温度で加熱することで積層バリスタ１００を得る。

以上、本開示の積層バリスタ１００は、特にロードダンプサージに対するサージ電流対策部品として有用であり、過電圧試験におけるバリスタ層１０ａで発生した熱を、積層バリスタ１００の外部へ効率よく放熱することができる。

本開示のバリスタは、特に自動車の電子制御ユニットに搭載される半導体デバイス等をロードダンプサージから保護する過電圧保護対策部品として有用である。

１００ 積層バリスタ
１０ 素体
１０ａ バリスタ層
１０ｂ 無効層
１１ 内部電極（第１内部電極）
１２ 内部電極（第２内部電極）
１３ 外部電極（第１外部電極）
１４ 外部電極（第２外部電極）
１５ 内部金属層（第１内部金属層）
１６ 内部金属層（第２内部金属層）
１７ 外部金属層（第１外部金属層）
１８ 外部金属層（第２外部金属層）

Claims (8)

1. バリスタ層を含み、第１面と、前記第１面と反対側の第２面とを有する素体と、
   前記素体の内部に設けられ、一端が前記第１面に露出している第１内部電極と
   前記素体の内部に設けられ、前記バリスタ層を介して前記第１内部電極と対向し、一端が前記第２面に露出している第２内部電極と
   前記素体の前記第１面に設けられ、前記第１内部電極の前記一端と接続している第１外部電極と、
   前記素体の前記第２面に設けられ、前記第２内部電極の前記一端と接続している第２外部電極と、を備え、
   前記バリスタ層の内部には、前記第１内部電極と、前記第２内部電極、前記第１外部電極および前記第２外部電極に接続されていない内部金属層が設けられている積層バリスタ。
2. 前記内部金属層の一端は、前記素体から露出している、
   請求項１に記載の積層バリスタ。
3. 前記素体は、
   前記第１面と前記第２面のそれぞれに接続している第３面と、
   前記第１面と前記第２面のそれぞれに接続し前記第３面の反対側に配置されている第４面とを有し、
   前記内部金属層は、前記バリスタ層に埋設され互いに分割されている第１内部金属層と第２内部金属層を有し、
   前記第１内部金属層は前記第３面から露出し、前記第２内部金属層は前記第４面から露出している、
   請求項１に記載の積層バリスタ。
4. 前記第１内部金属層と前記第２内部金属層のそれぞれの厚みは、１．０μｍ以上３．０μｍ以下である、
   請求項３に記載の積層バリスタ。
5. 前記第３面に設けられ、前記第１内部金属層に接続している第１外部金属層と、
   前記第４面に設けられ、前記第２内部金属層に接続している第２外部金属層とを、
   さらに備え、
   前記第１外部金属層と前記第２外部金属層は、ともに電位が０であるグランドに接続される、
   請求項４に記載の積層バリスタ。
6. 前記第１内部金属層と前記第２内部金属層とは、
   前記第３面からの距離と前記第４面からの距離が等しい位置に設けられている前記バリスタ層の一部分により分割されている、
   請求項５に記載の積層バリスタ。
7. 前記第１内部金属層と前記第２内部金属層は、互いに略同一の形状を有し、
   前記第３面に露出している前記第１内部金属層と、前記第４面に露出している前記第２内部金属層とは、
   前記第１面からの距離と前記第２面からの距離が等しい第１断面を境に対称に設けられ、
   前記第３面からの距離と前記第４面からの距離が等しい第２断面を境に対称に設けられている、
   請求項６に記載の積層バリスタ。
8. 上面視で、前記第１中心面と、前記第２中心面とが交差する領域には前記バリスタ層の一部分が設けられており、
   上面視で、前記一部分に重なる領域には前記内部金属層は設けられていない、
   請求項７に記載の積層バリスタ。