Esd保护器件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种绝缘可靠性较高、并具有良好的放电特性的ESD保护器件。ESD保护器件包括：第1及第2放电电极，该第1及第2放电电极配置成彼此相对；放电辅助电极，该放电辅助电极以横跨第1和第2放电电极之间的方式形成；以及绝缘体基材，该绝缘体基材保持第1及第2放电电极、以及放电辅助电极，在所述ESD保护器件中，放电辅助电极由多个金属粒子（24）的集合体所构成，多个金属粒子（24）被由碳化硅构成的半导体膜（23）所覆盖。为了获得这样的放电辅助电极，对在金属粒子表面固接有由碳化硅构成的半导体粉末的半导体复合化金属粉末进行烧成，但该半导体复合化金属粉末中的半导体粉末的覆盖量Q[重量％]与金属粉末的比表面积S[m2/g]的关系选择为Q/S≥8。
【专利说明】ESD保护器件及其制造方法
技術分野
[0001]本发明涉及ESD (Electrostatic Discharge:静电放电)保护器件及其制造方法，尤其涉及对ESD保护器件中用于促进静电放电而设置的放电辅助电极的改良。
【背景技术】
[0002]例如，在日本专利特开2008-85284号公报(专利文献I)中公开了本发明所关注的过电压保护元件。
[0003]专利文献I中记载的过电压保护元件中，包括:非导体粉末(例如,碳化硅:粒径I?50 μ m)、金属导体粉末(例如，铜:粒径0.01?5μπι)以及粘接剂(例如，玻璃粉末)，以作为要成为用于促进放电而设置的放电辅助电极的过电压保护元件材料。
[0004]此外，专利文献I中记载了一种过电压保护元件的制造方法，该制造方法包括:按照规定的比例将非导体粉末、金属导体粉末和粘接剂均匀地进行混合来形成材料糊料的工序；在基板上印刷该材料糊料的工序；以及对该基板实施烧成处理(温度:300?1200°C)的工序。
[0005]然而，在专利文献I记载的技术中，由于将作为粘接剂的玻璃以粉末状态进行添力口，因此，根据玻璃粉末的分散状态的不同，有时玻璃成分分布不均匀，其结果是，金属导体粉末与非导体粉末有可能无法充分结合。因此，存在以下技术问题:尤其在产生高电压的ESD时，容易发生短路不良。
[0006]例如，在国际公开第2009/098944号公报(专利文献2)中记载了能解决上述技术问题的方法。
[0007]在专利文献2中，使用一种使涂敷了无机材料(Al2O3等)的导电材料(Cu粉末等)分散的材料，以作为放电辅助电极。根据专利文献2中记载的技术，与专利文献I中记载的技术相比，导电材料的露出较少，因此，能提高绝缘可靠性。此外，即使增加导电材料的含有量，也不易产生导电材料彼此之间的短路，因此，通过增加导电材料，能容易地进行放电，由此，能降低峰值电压。
[0008]然而，专利文献I中记载的技术还存在以下的要解决的技术问题。
[0009]对于专利文献2记载的技术中的“涂敷了无机材料的导电材料”，如专利文献2的段落[0034]及[0094]、以及图4记载的那样，只是将由无机材料构成的微粒子涂敷在导电材料的表面上而已。因此，较难用无机材料完全覆盖导电材料的表面，存在导电材料露出的可能性。因此，要求进一步改善绝缘可靠性。
现有技术文献 专利文献
[0010]专利文献1:日本专利特开2008 - 85284号公报 专利文献2:国际公开第2009 / 098944号公报
【发明内容】
发明所要解决的问题
[0011 ] 因此，本发明的目的在于提供一种ESD保护器件及其制造方法，该ESD保护器件能解决上述的问题，即，绝缘可靠性较高，而且具有良好的放电特性。
解决技术问题所采用的技术方案
[0012]首先，本发明适用于ESD保护器件，该ESD保护器件包括:第I及第2放电电极，该第I及第2放电电极配置成彼此相对；放电辅助电极，该放电辅助电极以横跨第I和第2放电电极之间的方式形成；以及绝缘体基材，该绝缘体基材保持第I及第2放电电极、以及放电辅助电极，为了解决上述的技术问题，本发明的特征在于，放电辅助电极由多个金属粒子的集合体所构成，该多个金属粒子被由碳化硅构成的半导体膜所覆盖。
[0013]由此，通过利用由碳化硅构成的半导体膜覆盖构成放电辅助电极的金属粒子，能提高放电时的绝缘可靠性。
[0014]若在半导体膜的表面存在来自碳化硅的SiO2，则该SiO2起到玻璃状物质的网络形成成分的作用，能使金属粒子彼此牢固地结合，因此，能提高ESD保护器件的可靠性。
[0015]优选为金属粒子为铜或以铜为主要成分的铜类合金。由此，能提供比较廉价的ESD保护器件。此外，由于铜具有较高的熔点，因此，能进一步提高放电时的绝缘可靠性。这是由于，若熔点较低，则金属粒子会因放电时的热量而发生熔融并烧结，从而存在发生短路的可能性。
[0016]优选为在本发明所涉及的ESD保护器件中，第I及第2放电电极、以及放电辅助电极配置在绝缘体基材的内部，绝缘体基材具有配置第I和第2放电电极之间的间隙的空洞，还包括第I及第2外部端子电极，该第I及第2外部端子电极形成在绝缘体基材的表面上，且分别与第I及第2放电电极电连接。由此，能提高ESD保护器件的耐湿性。
[0017]本发明也适用于ESD保护器件的制造方法。
[0018]本发明所涉及的ESD保护器件的制造方法的特征在于，包括:准备半导体复合化金属粉末的工序，该半导体复合化金属粉末在金属粒子表面固接有由碳化硅构成的半导体粉末；准备绝缘体基材的工序；在绝缘体基材的表面或内部形成包含所述半导体复合化金属粉末的未烧成的放电辅助电极的工序；在绝缘体基材的表面或内部形成在放电辅助电极上配置成彼此相对的第I及第2放电电极的工序；以及对未烧成的放电辅助电极进行烧成的工序，半导体复合化金属粉末的半导体粉末的覆盖量Q[重量％ ]与金属粉末的比表面积S[m2/g]的关系为Q / S > 8。
[0019]上述的形成放电辅助电极的工序、以及形成第I及第2放电电极的工序中的哪个
工序先实施皆可。
[0020]在本发明所涉及的ESD保护器件的制造方法的优选实施方式中，准备绝缘体基材的工序包括准备包含第I及第2陶瓷生片在内的多个陶瓷生片的工序。在此情况下，形成未烧成的放电辅助电极的工序、以及形成第I及第2放电电极的工序在第I陶瓷生片上实施。此外，在该优选实施方式中，进一步实施以下工序:以覆盖第I和第2放电电极之间的间隙的方式形成烧去层的工序；将第2陶瓷生片以覆盖未烧成的放电辅助电极、第I及第2放电电极、以及烧去层的方式层叠在第I陶瓷生片上，从而获得未烧成的绝缘体基材的工序；以及在绝缘体基材的表面上形成分别与第I及第2放电电极进行电连接的第I及第2外部端子电极的工序。然后，在烧成工序中，对陶瓷生片进行烧结来获得绝缘体基材，并使烧去层被烧去。
发明的效果
[0021]根据本发明所涉及的ESD保护器件，放电辅助电极由多个金属粒子的集合体所构成，该多个金属粒子被由碳化硅构成的半导体膜所覆盖，因此，即使重复施加静电也不易产生特性的劣变，能提高放电时的绝缘可靠性。此外，即使增加金属粒子的含有量，也不易产生金属粒子彼此之间的短路，因此，通过增加金属粒子，能容易地进行放电，由此，能降低峰值电压。因此，本发明所涉及的ESD保护器件能广泛适用于半导体装置等各种设备或装置的保护。
[0022]根据本发明所涉及的ESD保护器件的制造方法，为了形成放电辅助电极，只要使用在金属粒子表面以规定覆盖量固接有由碳化硅构成的半导体粉末的半导体复合化金属粉末，就能够由能起到上述的作用效果的、被由碳化硅构成的半导体膜所覆盖的多个金属粒子的集合体来构成烧成之后的放电辅助电极。
【专利附图】
【附图说明】
[0023][图1]是表示本发明的实施方式I的ESD保护器件11的剖视图。
[图2]是示意表示构成图1所示的放电辅助电极18的金属粒子24的剖视图。
[图3]是表示本发明的实施方式2的ESD保护器件Ila的剖视图。
[图4]是用于说明在实验例中所制作的ESD保护器件42的制造工序的图，是表示在第I陶瓷生片31上形成了未烧成的放电辅助电极32的状态的俯视图。
[图5]是用于说明在实验例中所制作的ESD保护器件42的制造工序的图，是表示在图4所示的工序之后形成了未烧成的第I及第2放电电极33及34的状态的俯视图。
[图6]是用于说明在实验例中所制作的ESD保护器件42的制造工序的图，是表示在图5所示的工序之后形成了未烧成的烧去层35的状态的俯视图。
[图7]是用于说明在实验例中所制作的ESD保护器件42的制造工序的图，是表示在图6所示的工序之后层叠了第2陶瓷生片36的状态的剖视图。
[图8]是用于说明在实验例中所制作的ESD保护器件42的制造工序的图，是表示在图7所示的工序之后形成了未烧成的外部端子电极38及39的状态的剖视图。
[图9]是表示在实验例中，在图8所示的工序之后实施烧成工序所完成的ESD保护器件42的剖视图。
【具体实施方式】
[0024]参照图1对本发明的实施方式I的ESD保护器件11进行说明。
[0025]ESD保护器件11包括绝缘体基材12。绝缘体基材12例如由玻璃陶瓷等低温烧结陶瓷(LTCC)、氮化铝、氧化铝等高温烧结陶瓷(HTCC)、铁氧体等磁性体陶瓷所构成。绝缘体基材12具有至少包含上层部13和下层部14的层叠结构。
[0026]在绝缘体基材12内部，上层部13与下层部14之间设有:第I及第2放电电极16及17，该第I及第2放电电极16及17配置成隔开规定间隙G彼此相对；以及放电辅助电极18，该放电辅助电极18以横跨第I和第2放电电极16和17之间的方式形成。将绝缘体基材12中的上述间隙G所在的部分作为空洞19。[0027]在绝缘体基材12的外表面上形成有第I及第2外部端子电极20及21。第I及第2外部端子电极20及21分别与上述的第I及第2放电电极16及17进行电连接。
[0028]在这样的ESD保护器件11中，如图2所示，放电辅助电极18由多个金属粒子24的集合体所构成，该多个金属粒子24分别被由碳化硅构成的半导体膜23所覆盖。由此，若构成放电辅助电极18的金属粒子24被由碳化硅构成的半导体膜23所覆盖，则能提高放电时的绝缘可靠性。另外，只要对绝缘可靠性没有实质性的损害，在金属粒子24上也可稍许存在未被半导体膜23覆盖的部分。
[0029]作为构成金属粒子24的金属，优选为使用铜或以铜为主要成分的铜类合金，但除此之外也可以使用银、铝、钥、钨等。
[0030]ESD保护器件11例如由以下的方法制造而成。
[0031]首先，准备要成为绝缘体基材12的多个陶瓷生片。多个陶瓷生片中的第I陶瓷生片例如用于形成绝缘体基材12的下层部14，第2陶瓷生片同样用于形成上层部13。
[0032]此外，为了形成放电辅助电极18，准备半导体复合化金属粉末，该半导体复合化金属粉末在金属粒子表面固接有由碳化硅构成的半导体粉末。半导体复合化金属粉末例如通过将由碳化硅构成的半导体粉末和金属粉末按照规定的比例进行调和，并应用机械融合方法制造而成。此时，半导体粉末和金属粉末的调和比例选择为:所获得的半导体复合化金属粉末中的半导体粉末的覆盖量Q[ 重量％ ]与金属粉末的比表面积S[m2/g]的关系为Q/S≤ 8。
[0033]接下来，使用包含上述半导体复合化金属粉末的糊料，在第I陶瓷生片上按照规定的图案形成要成为放电辅助电极18的未烧成的糊料膜。
[0034]接下来，在第I陶瓷生片上的作为上述未烧成的放电辅助电极18的糊料膜上，以隔开规定间隙G彼此相对的方式形成第I及第2放电电极16及17。放电电极16及17例如通过提供导电性糊料来形成。
[0035]接下来，以覆盖第I和第2放电电极16和17之间的间隙G的方式形成烧去层。烧去层用于在后述的烧成工序中被烧去，从而在绝缘体基材12内部留下上述的空洞19。烧去层例如由包含树脂颗粒的糊料所形成。
[0036]另外，用于分别形成上述的放电辅助电极18、第I及第2放电电极16及17、以及烧去层所使用的糊料可以直接添加在添加对象物上，或者使用转印法等进行添加。
[0037]接下来，在第I陶瓷生片上以覆盖未烧成的放电辅助电极18、第I及第2放电电极16及17、以及烧去层的方式层叠第2陶瓷生片，并进行压接。由此，获得未烧成的绝缘体基材12。
[0038]接下来，在未烧成的绝缘体基材12的表面上形成第I及第2外部端子电极20及
21。外部端子电极20及21例如通过添加导电性糊料来形成。
[0039]接下来，实施烧成工序。在烧成工序中，能获得将陶瓷生片进行烧结而成的绝缘体基材12，并且对放电电极16及17、放电辅助电极18、以及外部端子电极20及21进行烧结。
[0040]在上述的烧成工序中，在未烧成的放电辅助电极18中含有的半导体复合化金属粉末中的金属粒子表面，由碳化硅构成的半导体粉末发生熔融，如图2所示，生成覆盖金属粒子24表面的、由碳化硅构成的半导体膜23。
[0041]此外，在该烧成过程中，金属粒子24表面上的碳化硅的一部分与氧接触，从而生成能成为玻璃状物质的网络形成成分的Si02。该SiO2即使是少量的，也能起到使金属粒子24彼此牢固结合的作用。因此，能提高ESD保护器件11的可靠性。
[0042]在该烧成工序中，还使烧去层被烧去，在绝缘体基材12的内部形成空洞19。
[0043]如上所述，完成ESD保护器件11。
[0044]另外，作为构成金属粒子24的金属，使用铜或铜类合金，在放电辅助电极18与绝缘体基材12 —起进行烧成的情况下，绝缘体基材12优选为由LTCC所构成。
[0045]在图3中示出了本发明的实施方式2的ESD保护器件11a。在图3中，对与图1所示的要素相当的要素标注同样的参照标号，并省略重复的说明。
[0046]图3所示的ESD保护器件Ila的特征在于，沿着放电辅助电极18与绝缘体基材12相接触的界面形成有例如由Al2O3构成的保护层26。尤其在绝缘体基材12由LTCC或磁性体陶瓷所构成的情况下，该结构是有效的。即，在绝缘体基材12由LTCC所构成的情况下，在烧成工序中，保护层26中来自绝缘体基材12 —侧的玻璃成分在放电辅助电极18内进行扩散、浸透，从而起到防止放电辅助电极18的绝缘性发生劣变的作用。此外，在绝缘体基材12由磁性体陶瓷所构成的情况下，在施加ESD时，磁性体陶瓷的材料被还原，保护层26起到防止绝缘体基材12的绝缘性发生劣变的作用。
[0047]在本发明的范围内还可以具有以下的变形例。
[0048]在图示的实施方式中，放电电极16及17、以及放电辅助电极18配置在绝缘体基材12的内部，但也可以配置在绝缘体基材的外表面上。
[0049]此外，即使在将放电电极16及17、以及放电辅助电极18配置在绝缘体基材12的内部的情况下，也并非一定要形成空洞19。
[0050]此外，放电辅助电极18除了包含被由碳化硅构成的半导体膜所覆盖的金属粒子24以外，还可以包含碳化硅等半导体粉末、氧化铝等绝缘体粉末。
[0051]而且，ESD保护器件Ila也可以与其它功能元件一起内置在基板内。
[0052]此外，在上述的制造方法中，在用于使放电电极16及17、以及放电辅助电极18进行烧结的烧成的同时，实施了用于使绝缘体基材12进行烧结的烧成，但也可以预先准备由经过烧结的陶瓷构成的绝缘体基材，在该绝缘体基材上形成放电电极及放电辅助电极。
[0053]接下来，对为了确认本发明的效果而实施的实验例进行说明。
[0054][实验例]
<评价试料的制作>
(I)陶瓷生片的制作
作为陶瓷材料，准备了以Ba、Al、及Si为主要成分的材料。然后，将各材料进行调和直到成为规定的组分，然后在800?1000°C下进行了预烧。利用氧化锆球磨机对所得到的预烧粉末进行12小时的粉碎，从而获得陶瓷粉末。
[0055]接下来，对该陶瓷粉末添加包含甲苯及燃料用酒精(日语:二々彳、>)的有机溶剂，并将它们进行混合，然后，进一步添加粘合剂及可塑剂，再次将它们进行混合，从而得到了浆料。
[0056]接下来，利用刮刀法使该浆料成形，从而制作出厚度为50 μ m的陶瓷生片。在此处所制作出的一个陶瓷生片在图4至图8中作为陶瓷生片31进行图示，而且，另一个陶瓷生片在图7及图8中作为陶瓷生片36进行图示。[0057](2)放电辅助电极用糊料的制作
作为坯原料，准备了表1记载的半导体粉末、以及表2记载的金属粉末。
[0058]表1
【权利要求】
1.一种ESD保护器件，其特征在于，包括: 第1及第2放电电极，该第I及第2放电电极配置成彼此相对； 放电辅助电极，该放电辅助电极以横跨所述第I及第2放电电极之间的方式形成；以及 绝缘体基材，该绝缘体基材保持所述第I及第2放电电极、以及所述放电辅助电极， 所述放电辅助电极由多个金属粒子的集合体所构成，该多个金属粒子被由碳化硅构成的半导体膜所覆盖。
2.如权利要求1所述的ESD保护器件，其特征在于， 在所述半导体膜的表面存在SiO2。
3.如权利要求1或2所述的ESD保护器件，其特征在于， 所述金属粒子是铜或以铜为主要成分的铜类合金。
4.如权利要求1至3的任一项所述的ESD保护器件，其特征在于， 所述第I及第2放电电极、以及所述放电辅助电极配置在所述绝缘体基材的内部，所述绝缘体基材具有配置所述第I及第2放电电极之间的间隙的空洞，还包括第I及第2外部端子电极，该第I及第2外部端子电极形成在所述绝缘体基材的表面上，且分别与所述第I及第2放电电极电连接。
5.—种ESD保护器件的制造方法，其特征在于，包括: 准备半导体复合化金属粉末的工序，该半导体复合化金属粉末在金属粒子表面固接有由碳化娃构成的半导体粉末； 准备绝缘体基材的工序； 在所述绝缘体基材的表面或内部形成包含所述半导体复合化金属粉末的未烧成的放电辅助电极的工序； 在所述绝缘体基材的表面或内部形成在所述放电辅助电极上配置成彼此相对的第I及第2放电电极的工序；以及 对所述未烧成的放电辅助电极进行烧成的工序， 所述半导体复合化金属粉末的所述半导体粉末的覆盖量Q[重量％ ]与所述金属粉末的比表面积S[m2/g]的关系为Q / S≥8。
6.如权利要求5所述的ESD保护器件的制造方法，其特征在于， 准备所述绝缘体基材的工序包括准备包含第I及第2陶瓷生片在内的多个陶瓷生片的工序， 形成所述未烧成的放电辅助电极的工序、以及形成所述第I及第2放电电极的工序在所述第I陶瓷生片上实施， 所述ESD保护器件的制造方法还包括以下工序: 以覆盖所述第1及第2放电电极之间的间隙的方式形成烧去层的工序； 将所述第2陶瓷生片以覆盖所述未烧成的放电辅助电极、所述第I及第2放电电极、以及所述烧去层的方式层叠在所述第I陶瓷生片上，从而获得未烧成的绝缘体基材的工序；以及 在所述绝缘体基材的表面上形成分别与所述第I及第2放电电极进行电连接的第I及第2外部端子电极的工序， 所述进行烧成的工序包含对所述陶瓷生片进行烧结来获得所述绝缘体基材的工序、以及使所述烧 去层被烧去的工序。
【文档编号】H01T4/12GK103797669SQ201280044289
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年8月26日 优先权日:2011年9月14日
【发明者】鹫见高弘, 足立淳, 筑泽孝之 申请人:株式会社村田制作所