(57)【要約】【課題】低バリスタ電圧特性と低静電容量特性とが両立する非線形抵抗変化素子を構成する。【解決手段】バリスタ１０２は、非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による円柱状の非線形抵抗体部２１、この非線形抵抗体部２１の側部の周囲を囲む支持部材２０、非線形抵抗体部２１の第１の面に導通する第１の電極２２、及び第２の面に導通する第２の電極２３を備えている。また、第１の電極２２と支持部材２０との間、及び第２の電極２３と支持部材２０との間に設けられた低誘電率の絶縁体部材２４，２５を備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による柱状の非線形抵抗体部と、
前記非線形抵抗体部の側部の周囲を囲む、前記セラミック材料の誘電率より低い誘電率の絶縁体材料による支持部材と、
前記非線形抵抗体部の第１の面と第２の面にそれぞれ導通する、第１の電極および第２の電極と、
を備えた非線形抵抗変化素子。
【請求項２】
前記電極と前記支持部材との間に配置された、前記非線形抵抗体部及び前記支持部材の誘電率より低い誘電率の絶縁体部材を備えた、請求項１に記載の非線形抵抗変化素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばバリスタのような非線形抵抗変化特性を備えた非線形抵抗変化素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非線形抵抗変化特性を備えた非線形抵抗変化素子の典型的な例はバリスタである。バリスタは静電気やその他の異常電圧による外来サージやノイズ等を吸収し抑圧するために使用されている。
【０００３】
バリスタの適用分野の一つは、高速信号ラインの静電気対策であるが、このような用途のバリスタにおいては、バリスタ電圧が低く且つ静電容量が小さな特性が望まれる。静電容量を減少させることを目的として、非線形抵抗体組成物の誘電率を下げたものが特許文献１に開示されている。
【０００４】
ここで、一般的な従来のバリスタの構造を、図１を基に説明する。
図１（Ａ），図１（Ｂ）はいずれもバリスタの素子部分の断面図であり、図１（Ａ）の例では、非線形抵抗体層１０と内部電極１１，１２の積層体を構成し、側面に外部電極１３，１４を形成している。図１（Ａ）の例では内部電極１１，１２を交互に積層し、図１（Ｂ）の例では内部電極１１，１２の先端同士が一定距離で突き合わせ状態に配置している。
【特許文献１】特許第３７１００６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バリスタ材料には、主に焼結ＺｎＯが用いられる。このＺｎＯは結晶粒径が３μｍ〜３０μｍ程度である。ＺｎＯ自体は低抵抗であるが、粒子間の境界層（結晶粒界）が高抵抗の障壁として存在する。バリスタの抵抗値や静電容量は、電極間に直列につながる結晶粒界による境界層の数で決定される。電極間距離が同じである場合は、結晶粒が大きくなると結晶粒界の数及び境界層の数が減るため、バリスタ電圧（電流が１ｍＡ流れるために必要な電圧）が小さくなる。また、等価的な直列コンデンサの数が減るため、静電容量が大きくなる。そのため、バリスタ電圧が小さく静電容量が小さいバリスタを作るには、ＺｎＯ材料自体の誘電率を小さくするしかない。
【０００６】
一般に、ＥＳＤ・サージ対策部品としてはバリスタ電圧が低い方がよい。特に高速信号ラインに並列に入れる場合には、バリスタの静電容量は小さくなければならない。例えば数ＧＨｚ帯では１ｐＦ未満であることが求められる。そのため、特許文献１に示されている例では、ＺｎＯにガラスを混ぜて、非線形抵抗体の比誘電率を８０程度にまで下げている。通常、Ｐｒ系ＺｎＯは粒径が大きいので、比誘電率は４００〜１２００程度である。Ｂｉ系ＺｎＯでは、焼結条件次第で比誘電率を２００程度にできる。しかしながら、材料の誘電率を下げるだけでは１．１ｐＦ程度が限界である。しかも、前述のように誘電率を下げるとバリスタ電圧が高くなり、実用的ではなくなる。
【０００７】
上述の事情は、図１に示したような積層型バリスタに限らず、ビアに非線形抵抗体を充填してビアの上下の電極間でバリスタ特性を持たせるようにしたものでも同じである。
【０００８】
このようにバリスタ電圧の低下と静電容量の減少とを両立させることは従来困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、トレードオフの関係にある低バリスタ電圧特性と低静電容量特性とが両立する非線形抵抗変化素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、この発明の非線形抵抗変化素子は次のように構成する。
（１）非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による柱状の導電部と、前記導電部の側部の周囲を囲む、前記セラミック材料の誘電率より低い誘電率の絶縁体材料による支持部材と、前記導電部の第１の面と第２の面にそれぞれ導通する、第１の電極および第２の電極と、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
（２）前記電極と前記支持部材との間には、前記導電部及び前記支持部材の誘電率より低い誘電率の絶縁体部材を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、バリスタ電圧が低く、且つ静電容量が小さい非線形抵抗変化素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る非線形抵抗変化素子の構成及び製造方法を図２〜図３を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る非線形抵抗変化素子であるバリスタ１０１の断面図、図２（Ｂ）はその斜視図である。このバリスタ１０１は、非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による円柱状の非線形抵抗体部２１と、この非線形抵抗体部２１の側部の周囲を囲む支持部材２０と、非線形抵抗体部２１の第１の面に導通する第１の電極２２及び第２の面に導通する第２の電極２３を備えている。
【００１４】
各部の材料と寸法は次のとおりである。
［非線形抵抗体部２１］
材料：ＺｎＯ
比誘電率：１２００
直径Ｄ１：１００μｍ
高さＨ：４００μｍ
［支持部材２０］
材料：アルミナセラミックス
比誘電率：１０
高さＨ：４００μｍ
［電極２２，２３］
幅Ｗ：２００μｍ
このように、非線形抵抗体部２１の周囲の支持部材２０の比誘電率が低いため、第１の電極２２と第２の電極２３との間の静電容量は小さい。この例では、電極２２−２３間の静電容量は約０．１５ｐＦである。
【００１５】
一方、結晶粒径は２０μｍ程度になるので、結晶粒界の数は４００／２０＝２０で、２０個程度である。結晶粒界１つ当たりのバリスタ電圧は約３Ｖであるので、このバリスタ１０１のバリスタ電圧は約６０Ｖである。
【００１６】
図３は、図２に示したバリスタ１０１の製造工程について示す図である。
まず図３（Ａ）に示すように、アルミナセラミックスのマザーボード状態の支持部材２０Ｂに対して複数の孔Ｈを形成し、図３（Ｂ），図３（Ｃ）に示すように、孔Ｈ内にＺｎＯのスラリーを充填する。このＺｎＯのスラリーは、水または有機溶剤に所望の条件でＺｎＯ粉末を分散させたものである。
【００１７】
続いて図３（Ｄ）に示すように、マザーボード状態の支持部材２０Ｂの上下面をラップ研磨して非線形抵抗体部２１の上下面を平坦化する。その後、図３（Ｅ）に示すように上下の全面に、第１の電極２２及び第２の電極２３の電極となるペーストを塗布し、乾燥させる。
その後、前記ＺｎＯを焼成する。
【００１８】
次に、図３（Ｆ）に示すように、マザーボード状態の支持部材２０Ｂを素子部分でそれぞれ個片に分割することによってバリスタ１０１を構成する。
なお、マザーボード状態の支持部材２０Ｂを素子部分でそれぞれ個片に分割した後に前記ＺｎＯを焼成してもよい。
また、マザーボード状の支持部材２０Ｂを先にダイシングしてからＺｎＯスラリーを充填してもよい。
【００１９】
前記個片への分割は、ダイシングソーを用いて行う。その際、支持部材２０Ｂの素子の区切り線となる位置に予めスクラッチ（切り込み溝）を入れておき、それに沿ってダイシングすると加工性が高まる。また、ダイシングソーを用いない場合は前記スクラッチに沿ってブレイクしてもよい。
また、前記スクラッチは、支持部材２０Ｂのセラミック焼結前または焼結後のいずれの状態で形成してもよい。
【００２０】
《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係るバリスタ１０２の断面図である。このバリスタ１０２は、非線形抵抗変化特性を備えたセラミック材料による円柱状の非線形抵抗体部２１と、この非線形抵抗体部２１の側部の周囲を囲む支持部材２０と、非線形抵抗体部２１の第１の面に導通する第１の電極２２及び第２の面に導通する第２の電極２３を備えている。図２に示したバリスタ１０１と異なり、支持部材２０として高誘電率誘電体材料を用い、第１の電極２２と支持部材２０との間、及び第２の電極２３と支持部材２０との間に低誘電率の絶縁体部材２４，２５をそれぞれ形成している。また、絶縁体部材２４，２５の中央部は開口していて、これらの開口部２２Ｐ，２３Ｐを介して第１の電極２２、第２の電極２３が非線形抵抗体部２１の両端に導通するようにしている。
【００２１】
このように、絶縁体部材２４，２５の開口面積を非線形抵抗体部２１の断面積より小さくしたことにより、第１の電極２２と第２の電極２３との間に直列配置されるＺｎＯの結晶粒界の境界層による等価的なコンデンサの電極面積が減少し、その分、静電容量が減少する。
【００２２】
各部の材料と寸法は次のとおりである。
［非線形抵抗体部２１］
材料：ＺｎＯ
比誘電率：１２００
直径Ｄ１：１００μｍ
高さＨ：４００μｍ
［支持部材２０］
材料：チタン酸亜鉛
比誘電率：２０００
高さＨ：４００μｍ
［電極２２，２３］
幅Ｗ：２００μｍ
［絶縁体部材２４，２５］
材料：ガラス
比誘電率：４
厚さＴ：５μｍ
貫通孔内径Ｄ２：２５μｍ
このように、低誘電率の絶縁体部材２４，２５を介在させたことにより、第１の電極２２と第２の電極２３との間の静電容量は小さい。この例では、電極２２−２３間の静電容量は約０．３４ｐＦとなる。
前記絶縁体部材２４，２５の厚み寸法を１０μｍとし、その他の条件を前記と同じにすると、前記静電容量は０．３１ｐＦとなる。
【００２３】
このように低誘電率の絶縁体部材２４，２５を設けることにより、支持部材２０の材料がチタン酸亜鉛等の高誘電率誘電体材料であっても静電容量の十分低いバリスタが構成できる。
【００２４】
図５は、図４に示したバリスタ１０２の製造工程を示す図である。
まず図５（Ａ）に示すように、チタン酸亜鉛のマザーボード状態の支持部材２０Ｂに対して複数の孔Ｈを形成し、図５（Ｂ），図５（Ｃ）に示すように、孔Ｈ内にＺｎＯのスラリーを充填する。このＺｎＯのスラリーは、水または有機溶剤に所望の条件でＺｎＯ粉末を分散させたものである。
【００２５】
続いて図５（Ｄ）に示すように、マザーボード状態の支持部材２０Ｂの上下面をラップ研磨して非線形抵抗体部２１の上下面を平坦化する。その後、図５（Ｅ）に示すように上下の全面に、非線形抵抗体部２１の上下面が部分的に開口された絶縁体部材２４，２５を形成する。具体的には、ガラスグレーズの厚膜印刷及び焼成によって形成する。
【００２６】
その後、図５（Ｆ）に示すように、絶縁体部材２４，２５の表面に第１の電極２２及び第２の電極２３の電極となるペーストを塗布し、乾燥させる。
その後、前記ＺｎＯを焼成する。
【００２７】
次に、図５（Ｇ）に示すように、マザーボード状態の支持部材２０Ｂを素子部分でそれぞれ個片に分割することによってバリスタ１０２を構成する。
なお、マザーボード状態の支持部材２０Ｂを素子部分でそれぞれ個片に分割した後に前記ＺｎＯを焼成してもよい。
前記個片への分割方法に関しては、第１の実施形態で述べた方法を適用する。
【００２８】
《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係るバリスタ１０３の断面図である。この例では絶縁体部材２４，２５に形成する開口部の内径を非線形抵抗体部２１の直径Ｄ１と等しくしている。このように、絶縁体部材２４，２５を支持部材２０と電極２２，２３との間にのみ配置してもよい。
その他の構成及び製造方法は第１・第２の実施形態で示したものと同様である。
【００２９】
各部の材料と寸法は次のとおりである。
［非線形抵抗体部２１］
材料：ＺｎＯ
比誘電率：２００
直径Ｄ１：１００μｍ
高さＨ：３００μｍ
［支持部材２０］
材料：チタン酸亜鉛
比誘電率：２０００
高さＨ：３００μｍ
［電極２２，２３］
幅Ｗ：３００μｍ
［絶縁体部材２４，２５］
材料：ガラス
比誘電率：４
厚さＴ：１０μｍ
貫通孔内径Ｄ１：１００μｍ
この構成によれば電極間の静電容量は０．２７ｐＦとなる。
【００３０】
図６に示した構造では、電極２２，２３と非線形抵抗体部２１との接合面が広くとれるので、電極間にバリスタ電圧以上の電圧が印加されて導通する際の電極２２−２３間の降下電圧をより低減できる。
【００３１】
《第４の実施形態》
図７は、バリスタ１０４の製造方法を示す図である。このバリスタ１０４の基本的な構造は図２に示したバリスタ１０１と同じである。
まず図７（Ａ）に示すように、板状に広がるベース部２１Ｂに複数の突起部２１Ａが突出した形状に、非線形抵抗体材料を成形する。
続いて、図７（Ｂ）に示すように、ベース部２１Ｂの上面にガラス粉末（グレーズまたはスラリー）を塗布して、マザーボード状の支持部材２０Ｂを形成する。
その後、図７（Ｃ）に示すように、支持部材２０Ｂを焼成してガラス化した後、支持部材２０の上下面を研削またはエッチングすることにより、ベース部２１Ｂ及び突起部２１Ａの先端部分を除去する。
【００３２】
続いて図７（Ｄ）に示すように、支持部材２０Ｂの上下面に第１の電極２２及び第２の電極２３を塗布・硬化させた後、図７（Ｅ）に示すように個片にカットする。
その後、この個片を焼成することによって、図７（Ｅ）に示したバリスタ１０４を構成する。
【００３３】
このようにして、非線形抵抗体部２１をプレス成形で形成してもよい。なお、最終的に非線形抵抗体部２１となる部分を円錐形状に成形することによって、プレス時の離型が容易になる。
【００３４】
《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係るバリスタ１０５の製造方法について示す図である。
図８（Ａ）は製造工程の途中における部材の断面図である。まず図８（Ａ）に示す非線形抵抗体部２１として、セラミック型の溝にＺｎＯを充填し、焼結して、直径１５０μｍの針状のＺｎＯを作る。これを溶融ガラスまたは樹脂にディッピングして引き上げ、硬化させることによって、図８（Ａ）に示すような円柱形状の部材を作成する。
【００３５】
その後、図８（Ｂ）に示すように、長さ４００μｍでカットし、そのカットした面の両端に電極２２，２３を形成する。これにより、第１の実施形態で示したバリスタ１０１と同様のバリスタ１０５を構成する。
【００３６】
図８に示した製造方法によれば、支持部材として低誘電率のガラスや樹脂を用いることができるので静電容量の低いバリスタが実現できる。また、図８（Ａ）に示した円柱形状の部材を複数本並列配置して同時に個片にカットすることができ、そのことによって製造コストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１（Ａ），図１（Ｂ）はいずれも一般的な従来のバリスタの素子部分の断面図である。
【図２】図２（Ａ）は第１の実施形態に係る非線形抵抗変化素子であるバリスタ１０１の断面図、図２（Ｂ）はその斜視図である。
【図３】図２に示したバリスタ１０１の製造工程について示す図である。
【図４】第２の実施形態に係るバリスタ１０２の断面図である。
【図５】図４に示したバリスタ１０２の製造工程を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係るバリスタ１０３の断面図である。
【図７】第４の実施形態に係るバリスタの製造方法であって、図２に示したバリスタ１０１の別の製造方法を示す図である。
【図８】第５の実施形態に係るバリスタ１０５の製造方法について示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…非線形抵抗体層
２０…支持部材
２０Ｂ…マザーボード状の支持部材
２１…非線形抵抗体部
２１Ａ…突起部
２１Ｂ…ベース部
２２…第１の電極
２３…第２の電極
２４，２５…絶縁体部材
２２Ｐ，２３Ｐ…絶縁体部材の開口部
１０１〜１０５…バリスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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