JP6543888B2 - 電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、基板と、該基板上に設けられたセラミック製の特性層と、を備えた電子部品に関する。

従来、この種の電子部品としては、例えば、特許文献１に記載の厚膜サーミスタがある。この厚膜サーミスタは下記の工程により作製される。すなわち、絶縁基板の例としてのアルミナ基板の一方面上に導体ペーストを印刷し焼成して、アルミナ基板上に下側電極を形成する。続いて、下側電極の一部分と重なるように、厚膜サーミスタ用ペーストを印刷して焼成して、厚膜サーミスタを形成する。

特開平７−９９１０１号公報

特許文献１では、焼成済のアルミナ基板上に導体ペーストが印刷された後に焼成されている。しかし、本件発明者が実験したところ、導体ペーストを焼成して得られた下側電極をアルミナ基板に接合させることは難しく、下側電極がアルミナ基板から簡単に剥がれてしまうことが分かった。

それゆえに、本発明の目的は、基板から金属層が剥がれにくい電子部品を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一局面は、電子部品であって、絶縁性セラミック材料から作製された基板と、セラミック材料から作製され、前記基板と拡散接合するセラミック層と、第一主面と、該第一主面と対向する第二主面と、を有する金属層であって、該第一主面側で前記セラミック層と拡散接合する金属層と、前記金属層の第二主面側と拡散接合する特性層であって、セラミック材料から作製されており、周囲温度または印加電圧に対し抵抗値が変化する特性層と、を備え、前記金属層は、前記第一主面に垂直な方向から見て、前記セラミック層の外縁に内包されるように前記セラミック層上に形成され、前記セラミック層および前記特性層の各々は、Ｍｎ ₃ Ｏ ₄ ，ＮｉＯ，Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ およびＴｉＯ ₂ を含み、前記セラミック層と前記特性層とは互いに同じ組成を有する。

上記局面によれば、基板から金属層が剥がれにくい電子部品を提供することができる。

第一実施形態に係る電子部品の完成品を示す平面図である。 図１の線Ｂ−Ｂ'に沿う電子部品の断面をＷ軸負方向側から見た時の縦断面図である。 図２に示す電子部品の等価回路を示す図である。 焼成温度毎のアルミニウム原子の拡散距離を示す図である。 第二実施形態に係る電子部品の完成品を示す平面図である。 図５の線Ａ−Ａ'に沿う電子部品の断面をＷ軸負方向側から見た時の縦断面図である。 図５に示す電子部品の等価回路を示す図である。

《第一実施形態》
以下、本発明の一実施形態に係る電子部品の説明を行う。以下、図面を参照して、本発明の第一実施形態に係る電子部品の説明を行う。まず、図１や図２に示すＬ軸、Ｗ軸、Ｔ軸を定義する。Ｌ軸は電子部品の左右方向（長さ方向）を、Ｗ軸はその前後方向（奥行き方向）を、Ｔ軸はその上下方向（厚さ方向）を示す。Ｌ軸、Ｗ軸、Ｔ軸の定義に関しては他の図でも同様である。

《構成》
図１，図２に示すように、電子部品１ａは、基板７と、セラミック層８と、内部電極９と、サーミスタ特性層１０と、第一外部電極１１と、第二外部電極１２と、を備えている。

基板７は、例えばアルミナまたは窒化アルミを基本成分とする絶縁性セラミックスで作製される。この基板７は、上下方向に相対向する第一主面７１および第二主面７２を有し、上面視で例えば矩形形状を有する。本実施形態では、第二主面７２は、第一主面７１を基準としてＴ軸正方向側にあるとする。また、基板７の厚さは、例えば０．６３５［ｍｍ］である。

セラミック層８は、後述のサーミスタ特性層１０と同様の材料で作製され、上面視で矩形形状を有する薄膜であって、上下方向に相対向する第一主面８１と第二主面８２と、を有する。本実施形態では、第二主面８２が第一主面８１に対しＴ軸正方向側にあるとする。このセラミック層８は、上面視で基板７の外縁に内包されるように基板７の主面７２上に形成される。ここで、セラミック層８は、基板７の主面７２側と拡散接合する。このセラミック層８の厚さは、電子部品１ａの小型化のためには５［μｍ］程度であることが好ましい。

内部電極９は、金属層の一例であって、典型的には、単独の貴金属、または複数の貴金属の合金から作製される。本実施形態では、銀およびパラジウムを含有する金属ペーストから作製されるとする。また、内部電極９は、例えば、上面視で矩形形状を有する薄膜であって、上下方向に相対向する第一主面９１および第二主面９２を有する。本実施形態では、第二主面９２は、第一主面９１を基準としてＴ軸正方向側にあるとする。この内部電極９は、上面視でセラミック層８の外縁に内包されるようにセラミック層８上に形成されて、セラミック層８の主面８２側と拡散接合する。内部電極９の厚さは、電子部品１ａの小型化のためには３［μｍ］程度であることが好ましい。

サーミスタ特性層１０は、ニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物を混合し焼結することで作製され、負の温度係数を有するサーミスタ（つまり、ＮＴＣサーミスタ）である。このサーミスタ特性層１０は、上面視で矩形形状を有する薄膜であって、上面視で自身の外形線がセラミック層８の外形線と実質的に重なり合うように金属層９上に形成される。ここで、サーミスタ特性層１０は、内部電極９の主面９２側と拡散接合する。このサーミスタ特性層１０の厚さは、電子部品１ａの小型化のためには１０［μｍ］程度であることが好ましい

ここで、注意を要するのは、サーミスタ特性層１０は、図２に示すように、セラミック層８と接合していても構わないが、基板７とは接合しないようにスクリーン印刷等により形成される。その理由は、下記の通りである。もしサーミスタ特性層１０が基板７と当接した状態で焼成されると、溶解して混ざり合った時、互いに酸化物でありかつ結晶構造も似ているため、分子運動エネルギーによって原子が相を越えて置換する現象（拡散）を引き起こしやすい。この場合、基板７から例えばＡｌ原子がサーミスタ特性層１０に進入してくる。かかるＡｌ原子により、サーミスタ特性層１０の周囲温度に対する抵抗値の特性が変わる可能性があるからである。

外部電極１１，１２は、上記内部電極９と同様の材料で作製される。外部電極１１，１２は、縦中心面Ｃを基準として互いに対称な形状を有しており、間隔をあけて左右方向に並ぶように形成されている。ここで、縦中心面Ｃとは、電子部品１ａのＬ軸方向中心を含んでおり、かつＷＴ平面に平行な面である。

外部電極１１は、基本的には、薄膜部１１１と、側壁部１１２と、を含んでいる。薄膜部１１１は、上面視で例えば矩形形状を有しており、サーミスタ特性層１０の上面左側を覆っている。また、この薄膜部１１１は、サーミスタ特性層１０の左側を挟んで、内部電極９の左側の部分とＴ軸方向に相対向しており、上面視で内部電極９の左側とオーバーラップするように形成されている。また、側壁部１１２は、薄膜部１１１と基板７とを繋ぐように、セラミック層８およびサーミスタ特性層１０の側面に沿って形成されている。

外部電極１２は、基本的には、縦中心面Ｃを基準として薄膜部１１１と対称な薄膜部１２１と、縦中心面Ｃを基準として側壁部１１２と対称な側壁部１２２と、を含んでいる。それゆえ、薄膜部１２１および側壁部１２２の詳細な説明を省略する。

《実際の使用》
外部電極１１，１２は、内部電極９の左側および右側とＴ軸方向に相対向しており、上面視でオーバーラップするように形成される。外部電極１１，１２は、入出力端子の機能を有しており、これらの間には、サーミスタ特性層１０や内部電極９を経由して、所定値の電流ｉが流れる（図３を参照）。この場合、外部電極１１と内部電極９において相対向するサーミスタ特性層１０の部分と、外部電極１２と内部電極９の相対向するサーミスタ特性層１０の部分とに電界が形成され、これらの部分がＮＴＣサーミスタとしての特性を担う。つまり、サーミスタ特性層１０において、外部電極１１と内部電極９の間に挟まれた部分と、外部電極１２と内部電極９の間に挟まれた部分とが温度特性を有する抵抗Ｒ１，Ｒ２をなす。よって、例えば入出力端子間の電圧Ｖを測定することで、電子部品１の周囲温度Ｔを測定することが可能となる。図３には、実線で等価回路が示され、通電経路に流れる電流ｉと、入出力端子間の電圧Ｖとが矢印にて示されている。

《製法》
上記電子部品１ａは、大略的には、下記のようにして製造される。なお、以下でも、説明の便宜上、一つの電子部品１の製造工程を説明する。

まず、焼成済みの基板７が準備される。この基板７は、ドクターブレード方式またはロールコンパクション法により作製されており、例えば、約１７００［℃］〜約１８００［℃］の温度で焼成されている。焼成済みの基板７を準備する理由は下記の通りである。つまり、基板７の焼成温度と、サーミスタ特性層５の焼成温度とは大きく異なり、サーミスタ特性層５を基板７の焼成温度で焼成すると、サーミスタ特性層５の特性が得られないからである。

次に、サーミスタ特性層５の出発原料（つまり素原料）となりうるＭｎ₃Ｏ₄，ＮｉＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，Ｃｏ₃Ｏ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｎＯ等の金属酸化物のグループから任意に選択されたものを適量含む粉末が準備される。本説明では、具体例として、Ｍｎ₃Ｏ₄，ＮｉＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，が所定量秤量された後、調合されるとする。

上記工程で得られた秤量粉末は、ジルコニア等の粉砕媒体を内有するボールミルに投入され、十分に湿式粉砕された後、約７８０℃で二時間仮焼される。これによって、セラミック粉末が作製される。

上記工程で得られたセラミック粉末は、ジルコニア等の粉砕媒体を内有するボールミルに投入され湿式粉砕される。その後、湿式粉砕されたセラミック粉末に有機バインダが添加される。これによって、スクリーン印刷用のセラミックペーストが得られる。

以上のセラミックペーストは、まず、焼成後に厚さ５［μｍ］のセラミック層８になるべきものとして、基板７の主面７２上にスクリーン印刷される。

次に、銀およびパラジウムを含有する金属ペーストが、焼成後に厚さ３［μｍ］の内部電極９となるべきものとして、セラミックペースト上にスクリーン印刷される。

また、上記セラミックペーストはさらに、焼成後に厚さ１０［μｍ］のサーミスタ特性層１０になるべきものとして、内部電極９の主面９２となる金属ペースト上にスクリーン印刷される。

次に、金属ペーストが、焼成後にサーミスタ特性層１０上で厚さ３［μｍ］の外部電極１１，１２となるべきものとして、サーミスタ特性層１０となるセラミックペースト上および基板７上にスクリーン印刷される。

上記のようにして得られた積層体は、例えば約１１００［℃］〜約１２００［℃］で二時間の間、一括焼成される。かかる一括焼成の間、セラミック層８は、基板７からのＡｌ原子の拡散により接合し、セラミック層８およびサーミスタ特性層１０は、内部電極９からの銀原子等の拡散により該内部電極９と接合する。同様に、サーミスタ層１０はさらに、外部電極１１，１２からの銀原子等の拡散により、該外部電極１１，１２と接合する。これにより、図１等に示す電子部品１ａが完成する。

《作用・効果》
ところで、特許文献１に記載の電子部品では、下側電極がアルミナ基板から簡単に剥がれてしまうという問題点があった。これは、金属とアルミナ基板とでは、結晶構造が互いに異なると共に、溶解温度が互いに異なっており、それゆえ、金属とアルミナ基板とを拡散接合させることは難しいからであると考えられる。

それに対し、本電子部品１ａでは、基板７と内部電極９との間にセラミック層８が介在している。まず、アルミナ等を基本成分とする基板７と、セラミック層８とは、互いに酸化物であり、結晶構造も良く似ている。したがって、約１１００［℃］〜約１２００［℃］で焼成しても、これらは溶解して混じり合い、その結果、基板７中のＡｌ原子等が相を越えてセラミック層８に拡散する。これによって、基板７とセラミック層８とは拡散接合する。

上記に対し、セラミックと金属とでは、結晶構造および溶解温度が互いに異なるため、一般的には、セラミック同士の場合と比較すると、拡散が起こりにくい。しかし、セラミック層８と内部電極９とに関しては、既に積層チップＮＴＣサーミスタ等が実際の商品化されており、十分な接合強度が得られることが知られている。

以上説明した通り、基板７および内部電極９はセラミック層８に十分な強度で接合される。つまり、基板７と内部電極９の間にセラミック層８を介在させることにより、電子部品１ａにおいて内部電極９が基板７から剥がれることを抑制することができる。

なお、基板７に内部電極９を接合させるための手法としては、内部電極９を、ガラスが添加された金属ペーストで作製することも考えられる。しかし、この手法では、ガラスが絶縁性材料であることから、内部電極９の十分な導電性を確保することが難しい。それに対し、本件では、セラミック層８を介在させるだけであるため、内部電極９をガラス添加無しの金属ペーストで作製されるため、十分な導電性を確保することができる。

上記の通り、拡散により、基板７のＡｌ原子はセラミック層８に進入する。この時、Ａｌ原子の拡散距離は概ね焼成温度に相関する。ここで、拡散距離は、基板７の主面７２を基準として、Ａｌ原子がセラミック層８内へ進入した距離を意味する。本件発明者の実験によれば、図４に示すように、１１００℃，１１５０℃，１２００℃焼成での拡散距離は１．７［μｍ］，３．２［μｍ］，３．９［μｍ］であった。よって、セラミック層８は上記の通り５［μｍ］程度の厚さであれば良い。なお、図４の左側には、電子部品１ａの断面を拡大図が示され、図４の右側には、アルミニウム原子のマッピング画像が示されている。

以上のことから、本実施形態では、セラミック層８は、基板７とサーミスタ特性層１０との間で発生しうる相互拡散を抑制するための緩衝層として作用し、サーミスタ特性層１０への基板７からの原子移動を阻止していることになる。サーミスタ特性層１０の温度特性の劣化を低減することが可能となる。このように、本実施形態では、薄膜のセラミック層８（緩衝層）により特性面での影響を排除しつつ、薄膜のサーミスタ特性層１０を基板７上に形成可能となるため、従来よりも小型化可能な電子部品１ａを提供することが可能となる。

《第二実施形態》
図５，図６に示すように、電子部品１ｂは、基板２と、第一金属層３と、第二金属層４と、サーミスタ特性層５と、第三金属層６と、セラミック層１８と、を備えている。

基板２は、上記基板７と同様の絶縁性セラミックスで作製される。この基板２は、上下方向に相対向する二つの主面２１，２２を有し、上面視で例えば矩形形状を有する。ここで、本実施形態では、主面２２は、主面２１を基準としてＴ軸正方向側にあるとする。

第一金属層３および第二金属層４は、典型的には、単独の貴金属、または複数の貴金属の合金から作製される。本実施形態では、銀およびパラジウムを含有する金属ペーストから作製されるとする。また、金属層３，４は、例えば、上面視で互いに同じ矩形形状を有する薄膜状に、かつ主面２２上に間隔をあけて左右方向に並ぶように形成される。ここで、本実施形態では、金属層４は、金属層３を基準としてＬ軸正方向側にあるとする。この金属層３，４の厚さは、特に限定されるものではないが、１０［μｍ］程度であることが好ましい。

サーミスタ特性層５は、上記サーミスタ特性層１０と同様のＮＴＣサーミスタである。このサーミスタ特性層５は、上面視で矩形形状を有する薄膜であって、かつ各金属層３，４上に形成される。このサーミスタ特性層５の厚さは、特に限定されるものではないが、３［μｍ］程度であることが好ましい。

第三金属層６は、金属層３，４と同じ金属材料から作製され、上面視で矩形形状を有する薄膜である。この金属層６は、上記金属層３，４のいずれともＴ軸方向に相対向しており、上面視でオーバーラップするように形成される。ここで、以下の説明では、上面視で金属層３，６が互いにオーバーラップする領域を、第一オーバーラップ領域Ａ１といい、金属層６，４が互いにオーバーラップする領域を、第二オーバーラップ領域Ａ２という。なお、これら領域Ａ１，Ａ２は、図５および図６のそれぞれにおいて、太い疎破線で囲まれた領域である。この金属層６の厚さは、特に限定されるものではないが、３［μｍ］程度であることが好ましい。

セラミック層１８は、サーミスタ特性層５と同様の材料で作製され、上面視で主面２２と略同じ矩形形状を有する薄膜である。また、セラミック層１８は、基板２と金属層３，４の間に介在しているが、このセラミック層１８の厚さは、電子部品１ｂの小型化のためには５［μｍ］程度であることが好ましい。

上記から分かるように、サーミスタ特性層５は、金属層６と、金属層３，４とで上下から挟まれており、金属層６は、金属層３，４のいずれともＴ軸方向に相対向している。また、金属層３，４は、入出力端子の機能を有しており、金属層３，４の間には、サーミスタ特性層５や金属層６を経由して、所定値の電流ｉが流れる（図７を参照）。この場合、金属層３，６において相対向する部分と、金属層６，４の相対向する部分と、に電界が形成され、オーバーラップ領域Ａ１，Ａ２がＮＴＣサーミスタとしての特性を担う。つまり、この部分が温度特性を有する抵抗Ｒ１，Ｒ２をなす。よって、例えば入出力端子間（つまり、金属層３，４の間）の電圧Ｖを測定することで、電子部品１の周囲温度Ｔを測定することが可能となる。図７には、実線で等価回路が示され、通電経路に流れる電流ｉと、入出力端子間の電圧Ｖとが矢印にて示されている。

《作用・効果》
第二実施形態でも、第一実施形態と同様に、基板２と金属層３，４の間にセラミック層１８を介在させることにより、電子部品１ｂにおいて金属層３，４が基板２から剥がれることを抑制することができる。

《付記》
また、上記実施形態では、サーミスタ特性層５，１０はＮＴＣサーミスタとして説明した。しかし、これに限らず、サーミスタ特性層５，１０はＰＴＣサーミスタであっても構わない。また、上記実施形態において、電子部品１ａ，１ｂは、サーミスタ特性層５，１０に代えて、印加電圧に対して抵抗値が変化するバリスタ特性層を備えていても構わない。

また、上記実施形態および上記変形例では、サーミスタ特性層５，１０はスクリーン印刷により形成されると説明した。しかし、これに限らず、サーミスタ特性層５，１０は、スパッタリング、蒸着またはＡＤ法（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）により形成されても構わない。

本発明に係る電子部品は、より小型化可能であり、表面実装型水晶振動子に好適である。

１ａ，１ｂ 電子部品
２，７ 基板
３ 第一金属層
４ 第二金属層
６ 第三金属層
５，１０ サーミスタ特性層
８，１８ セラミック層
９ 内部電極
１１，１２ 第一外部電極，第二外部電極

Claims (4)

1. 絶縁性セラミック材料から作製された基板と、
   セラミック材料から作製され、前記基板と拡散接合するセラミック層と、
   第一主面と、該第一主面と対向する第二主面と、を有する金属層であって、該第一主面側で前記セラミック層と拡散接合する金属層と、
   前記金属層の第二主面側と拡散接合する特性層であって、セラミック材料から作製されており、周囲温度または印加電圧に対し抵抗値が変化する特性層と、を備え、
   前記金属層は、前記第一主面に垂直な方向から見て、前記セラミック層の外縁に内包されるように前記セラミック層上に形成され、
   前記セラミック層および前記特性層の各々は、Ｍｎ ₃ Ｏ ₄ ，ＮｉＯ，Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ およびＴｉＯ ₂ を含み、前記セラミック層と前記特性層とは互いに同じ組成を有する、電子部品。
2. 前記セラミック層は、前記基板から前記特性層への原子移動を阻止する、請求項１に記載の電子部品。
3. 前記基板は、ケイ素系ガラスが添加された絶縁性セラミック材料から作製されるセラミックシートを複数積層した多層基板である、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電子部品。
4. 前記基板は、Ａｌを含有する絶縁性セラミック材料から作製される、請求項１〜３のいずれかに記載の電子部品。